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INDICE
1 Introduccioacuten
2 Generalidades
3 Componentes de la socavacioacuten
4 Tipos de socavacioacuten
5 Disentildeo de puentes que resistan la socavacioacuten
6 Metodologiacutea de disentildeo y caacutelculo de la socavacioacuten
7 Ejemplo del calculo de socavacioacuten
8 Obras de control
9 Conclusiones y recomendaciones
10 Bibliografiacutea
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1 INTRODUCCION
La socavacioacuten ocurre cuando
La cantidad de material que puede ser transportado en la seccioacuten del puente esmayor que la cantidad de material que es transportado por el flujo aguas
arriba
Si observamos un hidrograma y lo comparamos con un grafico de profundidad
vs tiempo tenemos que en el momento del caudal pico se ve una profundidad
menor a la inicial y a medida que el caudal desciende se puede decir que se vaasentando el material que viene con el flujo de aguas arriba
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2 GENERALIDADES
La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el
resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material
del lecho y de los bancos de los riacuteos
La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia
y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces
21 Caracteriacutesticas de la lluvia
bullIntensidad
bull Duracioacuten
bull Frecuencia
bull Distribucioacuten temporal
22 Caracteriacutesticas de la cuenca
bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras
bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntualeso Distribuido sobre el aacuterea
bull Clase y uso del suelo
bull Densidad del suelo
23 Erosioacuten pluvial
La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la
geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio delparaacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un
potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo
(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces
naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la
corriente
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Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de
Suelo
bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los
aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de aguabull Erodabilidad del suelo
bull Distribucioacuten de los cultivos
bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos
bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente
24 Dinaacutemica de los cauces
La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual sebasa en los siguientes aspectos
a) Geometriacutea del cauce
Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la
seccioacuten transversal
bullPendiente longitudinal
En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del
agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su
inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua
variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se
presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso
de crecientes
En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible
relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos
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bull Seccioacuten transversal
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la
medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos
batimeacutetricos
La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo
largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se
observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del
thalweg
Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de
caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad
del cauce
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
6
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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1 INTRODUCCION
La socavacioacuten ocurre cuando
La cantidad de material que puede ser transportado en la seccioacuten del puente esmayor que la cantidad de material que es transportado por el flujo aguas
arriba
Si observamos un hidrograma y lo comparamos con un grafico de profundidad
vs tiempo tenemos que en el momento del caudal pico se ve una profundidad
menor a la inicial y a medida que el caudal desciende se puede decir que se vaasentando el material que viene con el flujo de aguas arriba
2
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2 GENERALIDADES
La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el
resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material
del lecho y de los bancos de los riacuteos
La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia
y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces
21 Caracteriacutesticas de la lluvia
bullIntensidad
bull Duracioacuten
bull Frecuencia
bull Distribucioacuten temporal
22 Caracteriacutesticas de la cuenca
bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras
bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntualeso Distribuido sobre el aacuterea
bull Clase y uso del suelo
bull Densidad del suelo
23 Erosioacuten pluvial
La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la
geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio delparaacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un
potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo
(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces
naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la
corriente
3
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Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de
Suelo
bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los
aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de aguabull Erodabilidad del suelo
bull Distribucioacuten de los cultivos
bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos
bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente
24 Dinaacutemica de los cauces
La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual sebasa en los siguientes aspectos
a) Geometriacutea del cauce
Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la
seccioacuten transversal
bullPendiente longitudinal
En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del
agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su
inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua
variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se
presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso
de crecientes
En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible
relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos
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bull Seccioacuten transversal
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la
medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos
batimeacutetricos
La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo
largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se
observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del
thalweg
Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de
caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad
del cauce
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
6
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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2 GENERALIDADES
La socavacioacuten es un problema del traacutensito de sedimentos ya que es el
resultado de la erosioacuten causada por el agua excavando y transportando material
del lecho y de los bancos de los riacuteos
La magnitud y frecuencia de estos eventos dependen de las caracteriacutesticas de la lluvia
y de la cuenca la erosioacuten pluvial y la dinaacutemica de los cauces
21 Caracteriacutesticas de la lluvia
bullIntensidad
bull Duracioacuten
bull Frecuencia
bull Distribucioacuten temporal
22 Caracteriacutesticas de la cuenca
bull Morfometriacutea Aacuterea Longitud Pendiente Elevacioacuten media entre otras
bull Capacidad de almacenamiento Concentrado en depoacutesitos puntualeso Distribuido sobre el aacuterea
bull Clase y uso del suelo
bull Densidad del suelo
23 Erosioacuten pluvial
La magnitud de la erosioacuten pluvial depende del reacutegimen de lluvias y de la
geomorfologiacutea de la hoya vertiente La erosioacuten se cuantifica por medio delparaacutemetro denominado peacuterdida de suelo Esta peacuterdida de suelo representa un
potencial medio de erosioacuten anual y se expresa en miliacutemetros de suelo por antildeo
(mmantildeo) Solamente una parte de este volumen llega hasta los cauces
naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensioacuten que transporta la
corriente
3
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Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de
Suelo
bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los
aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de aguabull Erodabilidad del suelo
bull Distribucioacuten de los cultivos
bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos
bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente
24 Dinaacutemica de los cauces
La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual sebasa en los siguientes aspectos
a) Geometriacutea del cauce
Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la
seccioacuten transversal
bullPendiente longitudinal
En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del
agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su
inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua
variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se
presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso
de crecientes
En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible
relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos
4
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bull Seccioacuten transversal
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la
medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos
batimeacutetricos
La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo
largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se
observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del
thalweg
Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de
caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad
del cauce
5
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
6
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
7
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Los siguientes son los factores que intervienen en el caacutelculo de la Peacuterdida de
Suelo
bull Nuacutemero de aguaceros fuertes en el antildeo intensidades de los
aguaceros tamantildeo y altura de caiacuteda de las gotas de aguabull Erodabilidad del suelo
bull Distribucioacuten de los cultivos
bull Mantenimiento y proteccioacuten de los suelos
bull Caracteriacutesticas fiacutesicas de la zona Aacuterea Longitud y Pendiente
24 Dinaacutemica de los cauces
La dinaacutemica de los cauces depende de su caracterizacioacuten hidraacuteulica la cual sebasa en los siguientes aspectos
a) Geometriacutea del cauce
Estaacute representada por la pendiente longitudinal y por las caracteriacutesticas de la
seccioacuten transversal
bullPendiente longitudinal
En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la liacutenea del
agua debido a que el fondo no es una buena referencia tanto por su
inestabilidad como por sus irregularidades La pendiente de la liacutenea del agua
variacutea con la magnitud del caudal y esa variacioacuten es importante cuando se
presentan cambios grandes del caudal en tiempos cortos por ejemplo al paso
de crecientes
En los periacuteodos que tienen un caudal maacutes o menos estable es posible
relacionar las pendientes con los caudales utilizando registros de aforos
4
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bull Seccioacuten transversal
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la
medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos
batimeacutetricos
La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo
largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se
observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del
thalweg
Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de
caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad
del cauce
5
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
6
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
7
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
8
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
9
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
10
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
11
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
12
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
19
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Seccioacuten transversal
En los cauces naturales las secciones transversales son irregulares y la
medicioacuten de sus caracteriacutesticas geomeacutetricas se realiza con levantamientos
batimeacutetricos
La liacutenea que une los puntos maacutes profundos de las secciones transversales a lo
largo de la corriente se denomina thalweg En las corrientes de lecho aluvial se
observan continuacuteas variaciones en las secciones transversales y en la liacutenea del
thalweg
Las magnitudes y frecuencias de estas variaciones dependen del reacutegimen de
caudales la capacidad de transporte de sedimentos y el grado de estabilidad
del cauce
5
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
6
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
7
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
8
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
9
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
14
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
15
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Capacidad de transporte-
En una corriente natural el transporte de los sedimentos se compone de carga
de fondo carga en suspensioacuten y carga en saltacioacuten la uacuteltima componente es
una combinacioacuten de las dos primeras La suma de las tres se denomina cargatotal
La pendiente del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la
capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos por cuanto estaacute
relacionada directamente con la velocidad del agua En los tramos de pendiente
fuerte los cauces tienen pendientes superiores al 3 y las velocidades de flujoresultan tan altas que pueden mover como carga de fondo sedimentos de
diaacutemetros mayores de 5 centiacutemetros ademaacutes de los soacutelidos que ruedan por
desequilibrio gracias al efecto de lubricacioacuten producido por el agua
Reacutegimen de flujo-
El reacutegimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica
en funcioacuten del Nuacutemero de Froude NF el cual es una relacioacuten adimensional
entre fuerzas de inercia y de gravedad
En el reacutegimen supercriacutetico (NF gt 1) el flujo es de alta velocidad propio de
cauces de gran pendiente o riacuteos de montantildea El flujo subcriacutetico (NF lt1)corresponde a un reacutegimen de llanura con baja velocidad El flujo criacutetico (NF = 1)
es un estado teoacuterico en corrientes naturales y representa el punto de transicioacuten
entre los regiacutemenes subcriacutetico y supercriacutetico
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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rarr Reacutegimen torrencial o de montantildea se presentan principalmente fenoacutemenos
de socavacioacuten de fondo y erosioacuten de maacutergenes El reacutegimen torrencial se
caracteriza porque el flujo tiene una velocidad alta el nuacutemero de Froude es
mayor que 1 y la liacutenea del agua se ve afectada por la formacioacuten de resaltos que
son ocasionados por las irregularidades del fondo y de las secciones
transversales
Son cauces con gran capacidad de arrastre de sedimentos La cantidad de
material que efectivamente transportan estos cauces depende de la
conformacioacuten del fondo y de la potencialidad de la fuente que produce los
sedimentos El lecho del riacuteo puede ser rocoso aluvial o de material cohesivo
En el primer caso la seccioacuten transversal es estable en el segundo se presenta
transporte de material aluvial dentro de la capa de material suelto y en el
tercero el grado de cohesioacuten es un factor que reduce la posibilidad de
movimiento del material de fondo en comparacioacuten con el material aluvial del
mismo tamantildeo
Debido a su gran capacidad de transporte de sedimentos los cauces de
reacutegimen torrencial presentan a lo largo de sus trayectorias fenoacutemenos de
socavacioacuten y agradacioacuten la segunda como consecuencia de la primera
7
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
8
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Antes de disentildear obras para tratamiento de cauces es necesario conocer la
magnitud de la socavacioacuten Para determinar la magnitud de la socavacioacuten
general se deben realizar anaacutelisis geomorfoloacutegicos entre puntos de control o
sea entre secciones estables Estos anaacutelisis se basan en el estudio de
fotografiacuteas aeacutereas y cartografiacutea de diferentes eacutepocas y en los cambios que se
aprecien en observaciones de campo y en levantamientos topograacuteficos
rarr Reacutegimen tranquilo tambieacuten denominados de llanura las aguas se
desbordan cuando los caudales de creciente superan la capacidad a cauce
lleno Cuando la pendiente del cauce es pequentildea o cuando el flujo en el tramo
que se considera en el estudio estaacute regulado por una curva de remanso el
reacutegimen es tranquilo generalmente subcriacutetico En este caso la capacidad de
transporte de sedimentos es baja y el riacuteo puede comenzar a depositar parte de
los sedimentos de suspensioacuten y de fondo que trae desde zonas de mayor
capacidad de transporte La metodologiacutea que se utiliza para determinar las
tasas de transporte utiliza las mismas foacutermulas que se han descrito para los
tramos de reacutegimen torrencial
8
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
9
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
10
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
11
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
12
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
13
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
14
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
15
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
16
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
19
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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El fenoacutemeno principal que se presenta en los tramos de baja pendiente y
reacutegimen tranquilo es de agradacioacuten La magnitud de este fenoacutemeno puedecalcularse mediante controles perioacutedicos de los cambios que se producen en la
geometriacutea del cauce o con realizacioacuten de balances en tramos determinados
Para realizar los balances deben medirse los voluacutemenes de sedimentos que
entran y salen del tramo Los fenoacutemenos combinados de erosioacuten y agradacioacuten
generan cambios en la configuracioacuten del fondo y formacioacuten de brazos e islas
Estos cambios seraacuten maacutes grandes entre mayores sean las tasas de transporte
y pueden producir modificaciones importantes en el reacutegimen de flujo durante los
periacuteodos criacuteticos de estiaje y crecientes
Cuando el riacuteo recorre un tramo plano de llanura existe una posibilidad grande
de que se presenten desbordamientos los cuales ocupan la zona plana
adyacente o llanura de inundacioacuten Las cotas maacuteximas de agua en condiciones
de creciente se calculan por medio de foacutermulas de flujo variado en canales de
seccioacuten compuesta Las cotas calculadas maacutes el borde libre permiten definir
sobre la cartografiacutea de la zona la magnitud de la zona inundable para diferentes
niveles de probabilidad en condiciones de desborde no controlado
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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b) Viscosidad del agua
La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los
cauces naturales Esta viscosidad depende principalmente de la concentracioacuten
de la carga de sedimentos en suspensioacuten y en menor escala de la temperatura
En cauces limpios o sea aquellos en los que la concentracioacuten de sedimentos es
menor del 10 en volumen el agua se puede considerar como de baja
viscosidad A la temperatura de 20ordmC la viscosidad absoluta es del orden de 1
centipoise
En el caso extremo cuando se conforman flujos de lodo donde la proporcioacuten
volumeacutetrica entre el sedimento y el liacutequido sobrepasa el 80 la viscosidad
aumenta significativamente y puede llegar hasta los 4000 poises
Teniendo en cuenta que las foacutermulas empiacutericas de flujo en corrientes naturales
se han desarrollado para corrientes de agua limpia es claro que las velocidades
que se calculan con estas foacutermulas resultan maacutes altas que las velocidades
reales cuando se aplican a flujos viscosos
c) Posibilidad de desbordamientos
Desbordamientos Cuando el cauce pasa de un tramo de pendiente alta a otro
de pendiente baja su capacidad de transporte se reduce y comienza a
depositar los materiales que recibe del tramo anterior En este proceso formaislas y brazos y puede tomar una conformacioacuten trenzada con cauce divagante
Ademaacutes el material que se deposita eleva el fondo del cauce y disminuye su
capacidad a cauce lleno
10
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
11
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
12
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
13
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
14
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
15
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
16
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
19
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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3 COMPONENTES DE LA SOCAVACION
La socavacioacuten se clasifica como socavacioacuten general y socavacioacuten local
31 Socavacioacuten general
Es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la dinaacutemica
de la corriente y estaacute relacionada con la conformacioacuten del nivel de base Es un
fenoacutemeno a largo plazo aun cuando eventos catastroacuteficos pueden acelerarlo
La socavacioacuten general comprende deposito o remocioacuten de los materiales de
lecho- cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho del rioacute - y la
socavacioacuten por contraccioacuten
diams El depoacutesito de materiales sube el nivel del lecho
diams La remocioacuten o degradacioacuten del lecho socava o disminuye el nivel del lecho
del rioacute
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
12
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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diams La socavacioacuten por contraccioacuten involucra la remocioacuten de materiales de lecho
en todo el ancho del canal causado por
bull Contraccioacuten natural del rioacute
bull Contraccioacuten del flujo por el puente o estructuras de aproximacioacutenbull Islas bancos de arena bermas hielo desechos o vegetacioacuten
bull Cambios en el control aguas abajo
bull Recodos
32 Socavacioacuten local
La socavacioacuten local se presenta en sitios particulares de la corriente y es
ocasionada por el paso de crecientes y por la accioacuten de obras civiles como
obras de encauzamiento bancos guiacuteas puentes con pilas o estribos dentro del
cauce obras transversales de control etc
Para calcular la primera existe un sin nuacutemero de foacutermulas que son modificadascontinuamente por sus autores a medida que se avanza en la experimentacioacuten
de campo Se basan principalmente en el efecto de la fuerza tractiva sobre la
carga de fondo y en los conceptos expuestos por Shields
Para el caacutelculo de la socavacioacuten local por efecto de pilas y estribos de puentes
muros longitudinales obras transversales etc hay necesidad de revisar lasexperiencias que existen en cada caso particular y las foacutermulas empiacutericas que
se han desarrollado
12
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
13
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
14
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
15
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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33 Socavacioacuten total
La socavacioacuten total en un tramo de una corriente natural es la suma de las dos
componentes la socavacioacuten general y la socavacioacuten local
4 TIPOS DE SOCAVACION
Existen dos tipos de socavacioacuten en puentes de agua clara y de cama viva (o
lecho vivo)
41 Socavacioacuten de cama viva
Ocurre cuando existe material del lecho en el canal aguas arriba del puente
que se esta moviendo con el flujo que causa la socavacioacuten Se da en cauces de
reacutegimen torrencial
Los puentes sobre lechos de material grueso generalmente presentan
socavacioacuten de agua clara en la parte inicial de una hidrografiacutea luego socavaron
de cama viva para caudales altos y finalmente una socavacioacuten de cama de
agua clara cuando lo caudales van disminuyendo
42 Socavacioacuten de agua clara
Ocurre cuando el flujo que esta causando socavacioacuten no contiene material de
lecho Esto no implica que alguacuten sedimento fino no pueda estar en movimiento
como carga lavada Se da en un cauce de reacutegimen tranquilo
Esto se ve maacutes en lechos de materiales gruesos o en zonas de inundacioacuten con
vegetacioacuten
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Esto no indica que el agua no transporta material sino que la cantidad de
sedimentos en suspensioacuten es menor que la capacidad de transporte de
sedimentos del flujo
La socavacioacuten maacutexima de agua clara en la pila es de alrededor de un 10
mayor que la socavacioacuten de equilibrio de cama viva en esta
5 DISENtildeO DE PUENTES QUE RESISTAN LA SOCAVACIOacuteN
51 Filosofiacutea de disentildeo
a) Disentildear para que la estructura resista los efectos de una ldquosuacuteper
inundacioacutenrdquo (que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos)
b) Las fundaciones deben ser disentildeadas por un equipo
interdisciplinario que incluya ingenieros estructurales hidraacuteulicos y
geoteacutecnicos
14
5112018 Socavacion en Puentes - slidepdfcom
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
15
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
16
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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c) Los estudios hidraacuteulicos son necesarios como parte del estudio
preliminar (socavacioacuten y condiciones del flujo)
d) Usar el ldquojuicio de ingenieriacuteardquo para resolver las limitaciones en
conocimientos existentes
e) Compara los resultados con la informacioacuten disponible incluyendo
bull Comportamiento de estructuras existentes en
inundaciones del pasado
bull Efectos de la regulacioacuten y control de caudales
bull Caracteriacutesticas hidroloacutegicas e historia de avenidas
de la cuenca
f) Con base en las fuertes limitaciones elegir la fundacioacuten que tenga
una muy pequentildea probabilidad de falla por un evento extremo
52 Procedimientos general de disentildeo para controlar la socavacioacuten - Tipo
Tamantildeo y Localizacioacuten (TTampL)
Paso 1 Seleccionar las avenidas con periacuteodos de retorno de 100 antildeos o
menos que se espera produzcan las condiciones maacutes severas de
socavacioacuten
Paso 2 Obtener los perfiles hidraacuteulicos para la(s) avenida(as) del Paso 1
para un rango de caudales
Paso 3 Estimar las profundidades de socavacioacuten total para las condiciones
maacutes criacuteticas
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Paso 4 Dibujar las profundidades de socavacioacuten total en la seccioacuten
transversal del cauce y en la planicie de inundacioacuten de la zona del
puente
Paso 5 Analizar si lo obtenido es razonable
Paso 6 Evaluar Tipo Tamantildeo y Localizacioacuten usando el anaacutelisis de
socavacioacuten obtenido Modificar si es necesario
a) Visualizar el patroacuten general de comportamiento del flujo
b) Considerar el grado de incertidumbre en el meacutetodo utilizadopara estimar la socavacioacuten
c) Considerar la posibilidad de ocurrencia de alguna falla y sus
consecuencias
d) Considerar el costo adicional de fortalecer el puente para
hacerlo menos vulnerable a la socavacioacuten
Paso 7 Desarrollar un anaacutelisis de las fundaciones del puente sobre la base
de que ha ocurrido una socavacioacuten total
a) Para fundaciones consistentes en placas (sin pilotes) sobre
suelos debe asegurarse que la profundidad de la parte superior
de la placa se encuentra por debajo del nivel de degradacioacuten de
largo plazo de la socavacioacuten por contraccioacuten y de ajustes por
los cambios producidos ante una migracioacuten lateral del cauce La
base de la fundacioacuten debe ubicarse por debajo de la liacutenea de
socavacioacuten total
16
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
19
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
5112018 Socavacion en Puentes - slidepdfcom
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b) Para fundaciones consistentes en placas sobre roca resistente
el fondo de la fundacioacuten debe constituirse sobre la superficie de
roca limpia (consideacuterese ademaacutes el uso de dovelas como
soporte lateral)
c) Para fundaciones consistentes en placas corridas sobre roca
erosionable debe consultarse al geotecnoloacutego sobre la calidad
de la roca y la geologiacutea local Debe estimarse la socavacioacuten que
pueda ocurrir y ubicar la base de la placa por debajo de esa
profundidad La placa debe estar en contacto con los lados de la
excavacioacuten y sobre la placa debe colocarse enrocado
d) Para fundaciones consistentes en placas y pilotes el nivel
superior de la placa debe colocarse debajo del nivel del lecho a
una profundidad igual a la suma de la degradacioacuten esto para
minimizar la obstruccioacuten durante una inundacioacuten y la socavacioacuten
local resultante
Paso 8 Calcular la socavacioacuten para un evento extremo ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo
a) Una inundacioacuten que exceda la inundacioacuten de 100 antildeos
b) Use la inundacioacuten de 500 antildeos (puede considerarse como 17
veces la inundacioacuten de 100 antildeos si no se cuenta con esta
informacioacuten)
c) Evaluacutee el disentildeo de las fundaciones tal como se menciona en el
Paso 7
17
5112018 Socavacion en Puentes - slidepdfcom
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
18
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
19
5112018 Socavacion en Puentes - slidepdfcom
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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d) La base de la placa debe estar a un nivel por debajo de la
socavacioacuten calculada para la ldquosuacuteper inundacioacutenrdquo (evento
extremo)
e) Todas las fundaciones con o sin pilotes deben tener un factor
miacutenimo de seguridad de 10 carga uacuteltima) bajo condiciones
extremas
53 Lista de aspectos a considerar en el disentildeo
a) General
bull Aumentar la elevacioacuten de la superestructura del puente por encimade la elevacioacuten de la carretera de aproximacioacuten cuando esto sea
posible
bull Se recomienda que la cuerda inferior del puente sea elevada a un
miacutenimo de 06 metros sobre el nivel superior del flujo considerando
el nivel de inundacioacuten de 100 antildeos para tomar en cuenta aquellos
riacuteos que acarrean una gran cantidad de desechos
bull Las superestructuras deben ser poco anchas abiertas y bien
ancladas (considerar aquiacute los efectos boyantes los desechos el
hielo)
bull Los puentes de luces continuas son maacutes apropiados que los de luces
simples cuando existe un gran potencial a la socavacioacuten
(redundancia)
bull Los agujeros de socavacioacuten local en pilas y bastiones no deben
traslaparse (superponerse) ndash en el ancho superior del agujero puede
se de hasta 28 veces su profundidad ndash Se recomienda para efectos
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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praacutecticos utilizar un ancho superior de 20 veces la profundidad de
socavacioacuten
bull En los disentildeos de fundaciones consistentes en pilotes sujetos a
socavacioacuten debe evaluarse la cantidad de pilotes en funcioacuten de la
solicitacioacuten estructural los requerimientos de servicios y las
condiciones del suelo
b) Pilas (Pilastras)
bull Disentildear las fundaciones de las pilas que se encuentran en la planicie
de inundacioacuten tal como aquellas que se encuentran en el cauce
principal en el caso de que el cauce pueda trasladarse
bull Alinear las pilas en la direccioacuten de los flujos de inundacioacuten
Considerar pilas circulares cuando la direccioacuten del flujo es variable
bull Usar pilas que esteacuten alineadas con el flujo y elementos para desviar
el hielo y materiales flotantes
bull Evaluar el peligro de la acumulacioacuten de hielo y escombro
particularmente en las pilas de columnas muacuteltiples Considerar estos
grupos de columnas como si fueran una columna soacutelida para la
estimacioacuten de la socavacioacuten Considerar el uso de otros tipos de
pilas
c) Bastiones (Estribos)
bull El anaacutelisis de la socavacioacuten en bastiones se encuentra limitado por las
teacutecnicas cuantitativas actuales El uso enrocado y bancos guiacutea debe
ser considerados seriamente para la proteccioacuten de los bastiones
Cuando se ha disentildeado e implementado adecuadamente estas
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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medias se puede eliminar la necesidad de disentildear los bastiones para
resistir la socavacioacuten calculada
bull Usar otros puentes de alivio en la planicie de inundacioacuten y bancos
guiacutea para minimizar las condiciones adversas del flujo en los bastiones
bull Si existe la posibilidad de una acumulacioacuten de hielo disentildear el pie de
los bastiones inclinados o las paredes de las bastiones verticales lo
suficientemente alejarlo lo posible del borde del canal
bull La socavacioacuten en bastiones inclinados es aproximadamente un 50 de
la que puede ocurrir en bastiones verticales
6 METODOLOGIacuteA DE DISENtildeO Y CAacuteLCULO DE LA SOCAVACION
61 Metodologiacutea General -
Antes de calcular la socavacioacuten (local y contraccioacuten) por alguacuten meacutetodo es
necesario
bull Obtener la informacioacuten hidraacuteulica del canal
bull Estimar el impacto a largo plazo del depoacutesito y remocioacuten de materiales
bull Ajustar la informacioacuten hidraacuteulica del canal para que refleje ese cambio a
largo plazo
bull Calcular nuevamente las variables hidraacuteulicas en la seccioacuten del puente
en caso de que se haya ajustado la profundidad del lecho por
degradacioacuten a largo plazo
bull Calcular los componentes de la socavacioacuten usando las nuevas variableshidraacuteulicas
bull Estimar la socavacioacuten por contraccioacuten utilizando los paraacutemetros
hidraacuteulicos de lecho constante ajustados
bull Estimar la socavacioacuten local utilizando lo paraacutemetros hidraacuteulicos ajustado
20
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Obtener la socavacioacuten total que es igual a la de contraccioacuten maacutes la
socavacioacuten local
62 Socavacioacuten por contraccioacuten-
Se conoce 4 casos de socavacioacuten por contraccioacuten
Caso 1- Flujo sobre la planicie de inundacioacuten forzado a regresar al canal
principal mediante diques de aproximacioacuten al puente
a) El ancho del canal del riacuteo se reduce debido a que los bastiones se
encuentran dentro del cauce o el puente se encuentre en una zona
mas angosta del riacuteo
b) Los bastiones se encuentran en el borde del cauce el flujo de
inundacioacuten se encuentra totalmente obstruido por los rellenos de
aproximacioacuten del puente
Caso 1B Los bastiones se encuentran en los bordes del canal principal
c) Los bastiones se encuentran retirados del cauce principal El flujo de
inundacioacuten se encuentra parcialmente obstruido por lo rellenos de
aproximacioacuten
21
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Caso 1C Los bastiones se encuentran retirados del canal principal
Caso 2- No existe flujo fuera del canal principal el cauce se contrae a causa
del puente o debido a que el puente se encuentra construido en una zona
donde el ancho del cauce principal en menor
Caso 2A El cauce se contrae Caso 2B Los bastiones restringen
en la seccioacuten del puente el paso del flujo
22
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Caso 3- Un puente de alivio en la toma de inundacioacuten donde poco o ninguacuten
material de lecho es transportado (ejemplo de agua clara)
Caso 4- Un puente de alivio sobre un cauce secundario en la planicie de
inundacioacuten el cual transporta material de lecho
a) Existen dos ecuaciones
bull Para una condicioacuten de cama viva (material de lecho)
bull Para una condicioacuten de agua clara (sin material de lecho)
Para elegir cual debemos utilizar debemos definir si estas transportan que no
material de lecho comparando la velocidad critica para el inicio del movimiento
de partiacuteculas ldquoVcrdquo con la velocidad media del canal ldquoVrdquo
Si Vlt Vc =gt Condicioacuten de agua Clara
Si Vgt Vc =gt Condicioacuten de cama Viva
ldquoVcrdquo se puede calcular utilizando la sgte Ecuacioacuten
Vc = 619 Y 16 D5013
Donde
Vc = Velocidad critica del material de lecho [ms]
Y = Profundidad del flujo [m]D50 = Tamantildeo de partiacutecula en el cual 50 es menor [m]
23
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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b) Formula de Socavacioacuten por Contraccioacuten-
bull Condicioacuten de cama viva_
Ecuacioacuten modificada de Laursen (1960)
Ys = Y2 ndash Y0 (Profundidad promedio de Socavacioacuten)
Donde
Y1 = Profundidad promedio aguas arriba un canal principal [m]
Y2 = Profundidad promedio en zona contraiacuteda [m]
Y0 = Profundidad existente en la seccioacuten contraiacuteda antes de la socavacioacuten [m]
W1 = Ancho del canal principal aguas arriba [m]
W2 = Ancho de fondo del canal principal en la seccioacuten contraiacuteda (restando el
ancho de las pilas) [m]
Q1 = Caudal en canal aguas arriba que transporta sedimento (m3seg)
Q2 = Caudal en la seccioacuten contraiacuteda [m3 s]
K1 = Coeficiente tomado de la sgte Tabla
1
2
17
6
1
2
1
2
k
W
W
Q
Q
y
y⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
VW K1 CARACTERISTICAS DEL TRANSPORTE
DE SEDIMENTOS
lt 05 059 PREDOMINA CARGA DE FONDO
05 ndash 2 064 ALGUN MATERIAL EN SUSPENCION
gt 20 069 PREDOMINANA SEDIMENTOS EN
SUSPENSION
24
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
28
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Donde
V = (tr)05 = (gy1S1)05 velocidad cortante en la seccioacuten aguas arriba (ms)
W= Velocidad de sedimentacioacuten del material de lecho D 50 [ms]
g = Constante gravitacional (981 ms2)
S1 = Pendiente de energiacutea del canal principal mm
t = Esfuerzo cortante en el lecho Pa (Nm2)
r = Densidad del agua (1000 Kg m3)
1deg ldquoQ2rdquo Puede ser el flujo total que pasa bajo el puente en los casos 1A 1B No
es el total para el caso 1C
2deg ldquoQ1rdquo Es el flujo del canal principal aguas arriba del puente (sin incluir los
flujos en la planicie de inundacioacuten)
3deg ldquoW2rdquo Se toma comuacutenmente caro el ancho del fondo del canal menos el
ancho de las pilas
25
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
27
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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4deg La socavacioacuten por contraccioacuten por la condicioacuten de cama viva puede verse
disminuida por el acorazamiento del lecho
5deg Cuando hay materiales gruesos en el lecho se recomienda calcular la
socavacioacuten por contraccioacuten usando las ecuaciones para condicioacuten de cama viva
y agua clara escogiendo la mayor profundidad
6deg La ecuacioacuten de Laursen sobrestima la profundidad de socavacioacuten del puente
si esta localizada agua arriba pero es la mejor herramienta hasta ahora
disponible
bull Condicioacuten de agua clara_
Ecuacioacuten de Laursen
YS = Y2 ndash Y0
Donde
Y0= Profundidad del flujo en la seccioacuten contraiacuteda antes de ocurrir socavacioacuten m
Y2 = Profundidad promedio del flujo en la seccioacuten contraiacuteda despueacutes de ocurrir
la socavacioacuten por contraccioacuten m
Ys = Profundidad de socavacioacuten en la seccioacuten contraiacuteda m
Q = Caudal que pasa a traveacutes del puente o en la planicie de inundacioacuten
asociado en el ancho W m3
sD50 = Diaacutemetro medio del material de lecho m
Dm = 125 D50 m
W = Ancho de fondo en la seccioacuten contraiacuteda menos el ancho de pilas m
Clara secuencialmente calculando el Dm de cada capa de material
7
3
232
2
2
0250
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ =
W D
QY
m
26
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Si la altura del nivel de las aguas aguas abajo es muy variable debe utilizarse
el nivel mas bajo para los caacutelculos
En casos complejos se recomienda buscar consultoriacutea por parte de un equipointerdisciplinario de profesionales experimentados en hidraacuteulica geotecnia etc
63 Socavacioacuten En Pilas-
a) Socavacioacuten Local
bull Mecanismo de la socavacioacuten-
El flujo alrededor de las pilas crea un vortice o remolino de Herradura (al frente
y a los lados de la pila)
Los remolinos detraacutes de las pilas ayudan a transportar el material erosionado
hacia aguas abajo
Representacioacuten esquemaacutetica de la socavacioacuten local alrededor de una pila
ciliacutendrica
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Caracteriacutestica del Flujo-
a) Velocidad aguas arriba de la pila ldquoV1rdquo - Esta incrementa la
profundidad de socavacioacuten es decir ldquoa mayor velocidad mayor
profundidad de socavacioacutenrdquo
b) Profundidad del flujo aguas arriba de la pila ldquoY1rdquo- Afecta directamente
a la profundidad de socavacioacuten el aumento de profundidad puede
afectar hasta mas de 2 veces a profundidad de socavacioacuten
c) Angulo de ataque del flujo- Mientras la pila se encuentre alineada con
el flujo no afecta en la profundidad de socavacioacuten Cuando se formaun aacutengulo con respecto al flujo esto hace que el largo de la pila incide
en la profundidad de socavacioacuten
d) Flujo a presioacuten- este se produce cuando la superestructura del
puente esta sumergida y afecta en la profundidad de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila
a) Ancho de la pila-Al aumentar el ancho aumenta la profundidad de la
Socavacioacuten ya que se produce una mayor aacuterea de choque del flujo
con la pila
b) Longitud de pila- Va relacionado con el aacutengulo ataque si no hay
aacutengulo No afecta la profundidad de socavacioacuten si hay aacutengulo siacute
afecta la profundidad de socavacioacuten
c) Forma de la pila- Si la pila se disentildea con el frente alineado a la
direccioacuten de la corriente se reducen las fuerzas de los voacutertices y
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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remolinos reduciendo la profundidad de socavacioacuten lo mismo
sucede con la parte de atraacutes reduciendo asiacute los remolinos laterales
Por esto decimos que la forma de la pila afecta significativamente la
profundidad de socavacioacuten
Una pila con frente cuadrado tiene la mayor o maacutexima profundidad
de socavacioacuten
Las pilas de frente agudo tienen aproximadamente un 20 menor
socavacioacuten que las cuadradas las pilas de frente circular tiene
aproximadamente un 10 menor socavacioacuten que las cuadradas
El efecto de la geometriacutea del frente de la pila en la profundidad de
socavacioacuten disminuye si aumenta el aacutengulo de ataque del flujo
Geometriacutea de la fundacioacuten Ancho
Longitud Idem a la
Espesor GeometriacuteaElevacioacuten con respecto de la pila
A sup Del lecho
bull Material de Lecho-
Tamantildeo granulometriacutea y Cohesividad
a) El tamantildeo de las arenas no tiene efecto significativo en la profundidad de
Socavacioacuten
29
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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b) Los materiales finos (limos y arcillas) tienen profundidades semejantes a
la de las arenas aunque esteacuten cohesionadas esto solo influye en el
tiempo de Socavacioacuten
c) Los materiales gruesos en el lecho pueden limitar la profundidad de
Socavacioacuten
b) Ecuaciones para socavacioacuten en pilas-
Los estudios en laboratorio de la socavacioacuten en pilas han sido extensos pero se
cuenta con un limitado registro de datos de campo
Estos estudios han dado muchas ecuaciones (la mayoriacutea para socavacioacuten de
cama viva en cauces de lechos de arenas)
Algunas de estas formulas toman la velocidad como variable mientras otras no
la incluye tal es el caso de la ecuacioacuten De Laursen
El investigador Chang (1987) puntualizo que la ecuacioacuten de Laursen es una
caso especial de la ecuacioacuten ldquoColorado State Universityrdquo o ldquoCSUrdquo ver (tablas)
En las ecuaciones anteriormente mencionadas no se toma en cuenta de que las
partiacuteculas grandes puedan llegar a crear un acorazamiento del agujero producto
de la socavacioacuten
En la actualidad existe un factor de correccioacuten por acorazamiento que se
incluye en las formulas recomendadas
30
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
31
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Comparacioacuten de las formulas usadas en la socavacioacuten
Comparacioacuten de las foacutermulas de socavacioacuten con resultados medidos en
campo
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Valores de Ys a Vs Y1a para la ecuacioacuten ldquoCSUrdquo
bull Caacutelculo de la socavacioacuten local en Pilas-
Se recomienda el uso de la ecuacioacuten CSU (agua clara o cama viva)
Para pilas de frente redondeado y alineadas con el flujo se recomienda
Ys lt 24 (a) para Fr lt= 08
Ys lt 30 (a) para Fr lt 08
32
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Ecuacioacuten CSU modificado
Ys = 2K1 K2 K3 K4 (a Y1)065 Fr 1
043
Y1
O Ysa = 2K1 K2 K3 K4 (Y1 a) 035 Fr1 043
Donde
Ys- Profundidad de socavacioacuten [m]
Y1- Profundidad del flujo aguas arriba de la pila [m]
K2- Correccioacuten por el aacutengulo de ataque del flujoK1- Correccioacuten por la forma de la pila (ver tabla)
K3- Correccioacuten por la condicioacuten del lecho
K4- Correccioacuten por la posibilidad de acorazamiento
a- Ancho de pila [m]
Fr 1- Nuacutemero de fronde = V 1
(gy1)05
V1- Velocidad media directamente aguas arriba de la pila [ms]
g- Aceleracioacuten de la gravedad 981 ms2
Con estos datos se obtiene la profundidad maacutexima de socavacioacuten
bull Geometriacutea de la pila y aacutengulo de ataque
El factor de correccioacuten K 1 para tomar en cuenta la geometriacutea del frente de la
pila debe ser usado para aacutengulos de ataque de hasta 5 grados
33
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
34
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
35
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Para aacutengulos mayores el factor de correccioacuten domina se pierde el efecto de la
forma de la pila y K1 debe ser considerado como 10
Factor de correccioacuten K 1 seguacuten el
tipo de pila
Factor de correccioacuten K 2 para el
aacutengulo de ataque del flujo
Tipo de pila K1 Angulo La=4 La=8 La=12
(a) Frente cuadrado 11
(b) Frente circular 10
(c) Seccioacuten circular 10
(d) Frente agudo 09
(e) Grupo de columnas 10
0 10 10 10
15 15 20 25
30 20 275 35
45 23 33 43
90 25 39 50
Angulo = Angulo de inclinacioacuten con
respecto al flujo
L = longitud de la pila (largo en
sentido del flujo)
a a
a
L
(a) FRENTE CUADRADO (b) FRENTE REDONDEADO c) PILA CILINDRICA
(d) FRENTE AGUDO (e) COLUMNAS CILINDRICAS MULTIPLES
L= de ilas a
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Geometriacutea comuacuten en pilas
El factor de correccioacuten K 2 para el aacutengulo de ataque puede ser calculado
usando la siguiente formula
K2= (cos θ + La sinθ) 065
Si La es mayor que 12 se utiliza La=12 como maacuteximo
El factor K2 se utiliza solo cuando las condiciones de sitio son tales que la
longitud total de la pila se encuentra expuesta al flujo directo
bull Condicioacuten del lecho
Porcentaje de incremento K3 de las profundidades de socavacioacuten de equilibrio
en pilas seguacuten la configuracioacuten del lecho
CONDICION DEL
LECHO
ALTURA DE LAS DUNAS H
(m)
K3
Dunas grandes H gt 9 13
Dunas de tamantildeo medio 9 gt H gt 3 11 a 12
Dunas pequentildeas 3 gt H gt06 11
Lecho plano y antidunas NA 11
Socavacioacuten de agua clara NA 11
Se considera que para lechos planos (no muy comunes) se considera que la
socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 10 mayor que la socavacioacuten de
equilibrio
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
36
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
37
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Se considera que para lechos con grandes dunas (no muy comunes) se
considera que la socavacioacuten maacutexima puede ser hasta un 30 mayor que la
socavacioacuten de equilibrio
bull Acorazamiento
El factor de correccioacuten K4 disminuye las profundidades de socavacioacuten debido
a la posibilidad de acorazamiento del hoyo de socavacioacuten Esto para materiales
que tienen un D50 gt= 006 m
La ecuacioacuten es la siguiente
K4= (1-089 (1-VR)2)05
VR = (V1 - Vi) (Vc90 - Vi)
Vi =0645(D50 a)0053 Vc50
Donde-VR = razoacuten de velocidades
V1 = velocidad de aproximacioacuten (ms)
Vi = Velocidad de aproximacioacuten cuando las partiacuteculas en las pilas inician su
movimiento (ms)
Vc90 = velocidad critica para el material de tamantildeo D90 (ms)
Vc50 = velocidad critica para el material de tamantildeo D50 (ms)
a = ancho de la pila (m)
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Igualmente Vc = 619 y16 Dc13
Dc = tamantildeo critica de partiacuteculas asociado con la velocidad critica (m)
Los valores maacuteximos de K4 son como sigue-
VALORES LIMITES PARA COEFICIENTES K4
FACTOR TAMANtildeO MIN
MAT DE LECHO
VALOR MINIMO VRgt10
K4
K4 D50 gt= 006m 07 10
bull Influencia de la existencia de placas de fundacioacuten en la profundidad de la
Socavacioacuten
No se conoce a ciencia cierta la magnitud en que la placa de fundacioacuten afecta
a la socavacioacuten local
En algunos casos esta reduce o detiene la socavacioacuten impidiendo que se
produzcan los voacutertices y reduciendo el agujero que se genera
En algunas ocasiones usando el ancho de la pila se obtienen mejores
resultados que usando el ancho de la placa de fundacioacuten
Se recomienda utilizar el ancho de la pila en el valor de ldquoardquo para el caacutelculo de
la socavacioacuten local si es que la placa esta apenas arriba o al mismo nivel del
lecho
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Si la placa se encuentra mas elevada que el nivel del lecho se aconseja hacer 2
caacutelculos
Uno con ancho de la pila y otro con el ancho de la placa y la profundidad y
velocidad promedio de la zona del flujo obstruida por la placa Usando como
resultado la mayor profundidad de socavacioacuten
bullVelocidad promedio en la placa Expuesta
Donde
V1= Velocidad promedio en la totalidad de la profundidad frente a la pila [ms]
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ +
=
19310
ln
19310
ln
11
Ks
Y
Ks
Y
V
V F
F
Y1= Profundidad del flujo aguas arriba de la pila incluyendo la socavaron por
contraccioacuten y la degradacioacuten a largo plazo [m]
Vf = Velocidad promedio en la zona de flujo bajo la parte superior de la placa de
apoyo [ms]
38
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Yf = Distancia desde el lecho (antes de la socavacioacuten) hasta la parte superior
de la placa de apoyo [m]
Ks = Rugosidad del grano del lecho normalmente tomado como el D84 del
material
bull Socavacioacuten en pilas con grupos de pilotes expuestos
Los grupos de pilotes expuestos pueden ser analizados conservadoramente
como se tratara de una sola pila con un ancho igual a la proyeccioacuten del ancho
del grupo ignorando el espacio entre los pilotes
Se debe tomar en cuenta los escombros ya que el grupo de pilares suele
trabajar como un colector de objetos cerraacutendose los espacios entre pilotes y
provocando que actuacutee como una pila de mayores dimensiones
bull Placas expuestas al Flujo
Cuando estas estaacuten maacutes elevadas que el nivel del lecho debe calcularse la
profundidad de socavacioacuten como si la placa se encontrara sobre el lecho si
existen pilotes bajo la placa debe considerarse el efecto de grupo de pilotes en
la socavacioacuten
Es conservador escoger la profundidad de socavacioacuten maacutexima producto de los
posibles escenarios
39
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Socavacioacuten local en columnas muacuteltiples
La profundidad de socavacioacuten para columnas muacuteltiples alineadas entre eacutel pero
sesgadas con respecto al flujo va a depender del espacio existente entre ellas
El factor de correccioacuten para el aacutengulo de ataque del flujo va a ser menor que si
se tratara de una pila soacutelida se desconoce cuanto menor
Cuando analizamos la ecuacioacuten CSU para una pila de columnas muacuteltiples conuna distancia menor a los 5 diaacutemetros entre columnas el ancho de pila ldquoardquo
debe tomarse como el ancho total proyectado en posicioacuten normal al aacutengulo de
ataque del flujo Ej
Una pila de tres columnas circulares de 2 m de diaacutemetro espaciadas a 10 m
tendriacutean un valor de ldquoardquo ente 2 y 6 metros dependiendo del aacutengulo de ataque
flujo El factor de correccioacuten ldquoKrdquo seraacute igual a 10 independientemente de la
geometriacutea de las columnas
Si el riacuteo transporta material flotante (desechos troncos ramas etc) el grupo
de columnas muacuteltiples se considera como una pila uacutenica y soacutelida
40
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Socavacioacuten en pilas bajo flujo a presioacuten
El flujo a presioacuten ocurre cuando el nivel alcanza la losa del puente o el caudal
es tal que el puente llega a estar totalmente sumergido
El flujo a presioacuten bajo el puente da como resultado una contraccioacuten del flujo
bajo el puente Cuando el flujo aguas arriba es extremo el puente puede
quedar sumergido y se da un patroacuten combinado de flujo de orificio y flujo sobre
el puente
Con el flujo a presioacuten las profundidades de socavacioacuten local en las pilas son
mayores que bajo condiciones de flujo normales
Esto se debe a que el flujo es dirigido desde la superestructura del puente hacia
el lecho (contraccioacuten vertical del flujo) incrementando la intensidad de los
veacutertices tipo herradura
Los estudios de laboratorio considerando el flujo a presioacuten han determinado que
la socavacioacuten en las pilas aumenta su valor de 200 a 300 de la socavacioacutencalculada en condiciones normales
41
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Socavacioacuten debida a material flotante en pilas
Materiales flotantes acumulados frente a las pilas incrementan la profundidad
de socavacioacuten local
Los materiales flotantes pueden acumularse frente a las pilas y desviar el flujo
hacia la base de forma que se produce una mayor erosioacuten
Si es que la acumulacioacuten de material flotante es una condicioacuten importante
entonces se calcula la socavacioacuten local asumiendo un ancho de pila mayor a su
ancho real
bull Ancho de los agujeros producto de la socavacioacuten
El ancho superior del agujero de socavacioacuten en materiales de lecho no
cohesivo medido a partir de un lado de la pila puede ser estimado como sigue
W = Ys (K + Cotang θ)
42
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Donde
W = Ancho superior del agujero de socavacioacuten medido a un lado de la pila o
placa de fundacioacuten [m]
Ys = Profundidad de socavacioacuten [m]
K = Ancho de fondo del agujero de socavacioacuten como una fraccioacuten de la
profundidad
θ = Angulo de reposo del material de lecho (varia cubre 30 y 40 grados)
El rango en el ancho superior vario tiacutepicamente entre 10 a 28 Ys
Se recomienda para usos praacutecticos un ancho superior de W = 2 Ys
64 Socavacioacuten Local En Estribos
a) Mecanismo de Socavacioacuten-
bull El mecanismo de socavacioacuten en el extremo aguas arriba del estribo es el
voacutertice de herradura
bull Aguas abajo del estribo el flujo puede separarse del borde y producir otro voacutertice (similar al voacutertice lateral en pilas) y atacar el relleno de
aproximacioacuten
bull La socavacioacuten puede ser de cama viva o de agua clara
b) Condiciones Generales
bull Tipos de estribo- Existen en general tres tipos
a Estribos con pendiente al frente (estribos inclinados)
b Estribos verticales con paredes laterales
c Estribos verticales sin paredes verticales
43
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Tipos comunes de estribos
Estos estribos pueden ser ubicados a diferentes aacutengulos con respecto a la
direccioacuten del flujo
bull Ubicacioacuten de los estribos- Los estribos pueden
a Ubicarse dentro del canal principal
b Ubicarse en el borde del canal principalc Encontrarse retirados del borde del canal principal
44
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull El flujo puede provenir de planicies de inundacioacuten o soacutelo del canal
principal
El que proviene de las planicies de inundacioacuten y es encauzado para regresar
al canal en la seccioacuten del puente incrementa las profundidades de socavacioacuten
debido a que
a Incrementa la fuerza de los voacutertices
b El flujo que se encauza por lo general es libre de sedimentos
bull Los estribos que se encuentran en el borde del canal principal o retirados de
eacuteste presentan menos problemas de socavacioacuten de aquellos que se
encuentran dentro del canal debido a que
a El borde del canal puede tener aacuterboles u otro tipo de vegetacioacuten
que disminuye la velocidad del flujo y es resistente a la
socavacioacuten
b El estribo se encuentra alejado del flujo principal por lo que lasvelocidades y profundidades son menores
c) Ecuaciones para el caacutelculo de la socavacioacuten en estribos
Todas las ecuaciones estaacuten basadas en resultados de laboratorio y han
sido desarrolladas para predecir la socavacioacuten maacutexima que puede ocurrir
en el estribo
bull Ecuacioacuten de Frohelich (1989)
Frohelich analizoacute 170 datos tomados a partir de simulaciones realizadas
en el laboratorio sobre socavacioacuten de cama viva La ecuacioacuten
desarrollada a partir de estos datos fue la siguiente
45
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Donde
=1K Coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo Ver Fig
=2K Coeficiente para tomar en cuenta el aacutengulo entre el relleno de
aproximacioacuten y la direccioacuten del flujo
130
2
90
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
θ K
θ lt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas abajo
θ gt 90deg si el relleno de aproximacioacuten estaacute dirigido aguas arriba
Lrsquo = Longitud del estribo proyectado normal al flujo m
Ae = Aacuterea del flujo (aguas arriba) obstruida por el estribo
Fr = Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) 50
a
e
gY
V Fr =
e
e
e A
QV = ms
Qe = Flujo obstruido por el estribo y relleno de aproximacioacuten m3s
Ya = Profundidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten m
Ys = Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
Descripcioacuten 1K
Estribo Vertical 10
Estribo Vertical con paredes laterales 082
Estribo inclinado 055
46
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
47
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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El teacutermino constante igual a la unidad (+030) de la ecuacioacuten de
Frohelich es un factor de seguridad que hace que la ecuacioacuten prediga
una profundidad de socavacioacuten mayor que la que se ha medido en
muchos estudios de laboratorio Este factor fue agregado a la ecuacioacuten
para cubrir el 98 de los datos
bull Ecuacioacuten HIRE
Esta ecuacioacuten fue desarrollada a partir de los datos de campo recogidos
por el cuerpo de ingenieros Norteamericanos en un banco guiacutea (parte
frontal) en el riacuteo Mississippi La ecuacioacuten es aplicable a estribos cuando
la razoacuten de la longitud proyectada del estribo (Lrsquo) a la profundidad del
flujo ( ) es mayor que 251Y
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Donde
=sY Profundidad maacutexima de socavacioacuten m
1Y = profundidad del flujo adyacente al estribo en la zona de inundacioacuten o
en el canal principal m
=1Fr Nuacutemero de Froud basado en la velocidad y profundidad del flujo
adyacente al estribo (aguas arriba)
1K = coeficiente para tomar en cuenta el tipo de estribo (a partir de la
tabla)
En estribos que se encuentran sesgados (alineamiento horizontal) con
respecto al flujo puede usarse la siguiente graacutefica para corregir la
ecuacioacuten HIRE
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Socavacioacuten de agua clara en estribo
No se cuenta con ecuaciones confiables para el caacutelculo de la socavacioacuten
de agua clara en bastiones Se recomienda utilizar las ecuaciones de
cama viva presentada antes para tener un indicador de la posible
profundidad de socavacioacuten
48
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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7 EJEMPLO DEL CALCULO DE SOCAVACION
Descripcioacuten
Se planea construir un puente de 19812 m de longitud y un ancho de 1524 m
con bastiones (estribos) con pendiente frontal 2H1V El bastioacuten izquierdo se ha
disentildeado para ubicarse aproximadamente a 605 m del borde del canal
principal El bastioacuten derecho se ubicariacutea justo en el borde del canal La losa del
puente (superficie de rodamiento) se ha disentildeado a la elevacioacuten de 671 m y
con un peralte de viga de 122 m Seis pilas con rente redondeado se han
considerado como subestructura igualmente espaciadas entre los bastiones
Las pilas seriacutean de 152 m de ancho 1219 m de largo alineadas con la seccioacuten
del flujo El caudal de disentildeo basado en un periodo de retorno de 100 antildeos esde 84951 m3s
Calcular la socavacioacuten total en la seccioacuten del puente
a) Datos conseguidos previa inspeccioacuten
bull Zona rural cuyo uso de terreno es de siembra y bosque
bull Planicie de inundacioacuten relativamente grande con bastante
vegetacioacuten existen canales que indican que puede ocurrir unamigracioacuten lateral del canal principal
bull Seccioacuten constante 300 m aguas arriba y aguas debajo de la
seccioacuten donde se tiene previsto colocar el puente
bull El diaacutemetro medio del material del lecho (D50) y el material de la
zona de inundacioacuten es de 2 mm
bull La gravedad especiacutefica del material del lecho es de 265
bull La erosioacuten general del lecho es despreciable Se encuentra
estratos de roca a 46 m por debajo del lecho
bull Debido a que predomina material fino K4 = 1 el lecho plano y
antidunas K3 = 11
49
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Los bancos laterales estaacuten relativamente estables y con buena
vegetacioacuten sin embargo existen algunas zonas aisladas de estos
bancos que parecen haber sido socavadas lo que ha provocado
erosioacuten Algunos aacuterboles crecen a orillas de los bancos Estos
bancos van a requerir proteccioacuten de enrocado si fueran
perturbados por la construccioacuten del puente Esto incluye ademaacutes
de aquellos que se encuentran en la zona del puente algunos
aguas arriba y aguas abajo
b) Tengo de dato hidraacuteulicos
Q = 84951 m3s rarr Caudal total
K1 = 19000 rarr transporte del canal principal
Ktotal = 39150 rarr transporte total
W1 = 1219 m rarr Ancho superior del flujo asumido como ancho efectivo
Ac = 320 m2rarr Aacuterea del canal principal
P = 122 m rarr Periacutemetro mojado del canal principal Seccioacuten del puente
Kc = 11330 rarr Transporte del canal principal
Ktotal = 12540 rarr transporte total
Ac = 236 m2rarr Aacuterea del canal principal
50
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Wc = 1219 m rarr Ancho del canal diferencia entre puntos limiacutetrofes de
aacutereas que definen las maacutergenes en el puente
W2 = 11782 m rarr Ancho del canal menos cuatro anchos de pila (608 m)
Sf = 0002 mm rarr Pendiente promedio de energiacutea en el flujo no
contraiacutedo
c) Solucioacuten
bull Determinacioacuten de condicioacuten de agua clara o cama viva
- Calculo del caudal en la seccioacuten de aproximacioacuten
approachtotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 1
1 = 84941 m3s(18999923915116)
Q1 = 41226 m3s
- Calculo de la profundidad promedio en el canal principal seccioacuten deaproximacioacuten
==1
1W
AY c (320 m21219 m)
Y1 = 262 m
- Calculo de la velocidad promedio en el canal principal seccioacuten de
aproximacioacuten
c A
QV 1
1 = = (41226m3 s )( 320m2)
V1 = 128 ms
51
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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- Calculo de la velocidad criacutetica para el movimiento de las partiacuteculas
Vc = 619 y1 16D 50
13
Vc = 091 ms
Noacutetese que V1 rsaquoVc por lo tanto existe una condicioacuten de socavacioacuten por
contraccioacuten de cama viva en el canal principal
- Determinacioacuten de K1
bull Calculo del radio hidraacuteulico ( canal principal en la seccioacuten deaproximacioacuten)
P
A R c= = 320m212198m
R = 262 m
Noacutetese que para el ejemplo el radio hidraacuteulico es igual a la profundidad media
bull calculo del esfuerzo cortante
γ= 9810 Nm3 τ = γRSf = 5140 Pa(Nm2)
bull Velocidad cortante
smV 230
50
=⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
ρ
τ
52
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Calcular V w
W = 021 ms usando la curva de velocidad de sedimentacioacuten
V w = 109
bull De la tabla tenemos que K1 entre 05 a 2
K1= 064
bull Calculo del caudal en la seccioacuten de contraccioacuten Q2
bridgetotalK
K QQ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = 2
2
Q2 = 76767 m3s
bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de cama viva en el lecho
1
2
17
6
1
2
1
2
K
W
W
Q
Q
Y
Y ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ =
Y2 = 46 m
Y0 = Ac W2
Y0 = 2 m
Ys = Y2 - Y0
Ys = 26 m
53
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
54
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
55
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
56
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten en la zona de inundacioacuten izquierda
(seccioacuten del puente)
1 Ecuacioacuten de cursen para el calculo de la socavacioacuten de agua clara
Esta ecuacioacuten se la recomienda para las zonas de inundacioacuten cuando el
bastioacuten se encuentra retirado del canal principal En este caso ocurriraacute
socavacioacuten de agua clara por cuanto la zona de inundacioacuten de la cual
provienen los flujos se encuentra con vegetacioacuten
( )
7
3
2
3
2
2
2
0250
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
W D
QY
m
Dm = 125 D50
Ys = Y2 - Y0
2 Variables hidraacuteulicas obtenidas para condiciones de agua clara
Q = 84951 m3s rarr Caudal total a traveacutes del puente
Qchan = 76754 m3s rarr Flujo del canal principal en la seccioacuten del
puente determinado a partir de los caacutelculos de cama viva
Q2 = 8197 m3s rarr Flujo zona lateral izquierda que pasa bajo el
puente determinando substrayendo Qchan del caudal total
Dm = 00025 m rarr Tamantildeo medio efectivo de la partiacutecula en
la zona lateral
Wsetback = 688 m rarr Distancia desde el banco izquierdo del cauce
principal a la base del bastioacuten izquierdo
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
57
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
66
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Wcontracted= 658 m rarr Wsetback menos el ancho de dos pilas (304m)
Aizq = 57 m2 rarr Aacuterea de la zona lateral en la seccioacuten de aproximacioacuten
3 Calculo de la socavacioacuten por contraccioacuten de agua clara en la zona lateral
bull Calculo de Y2
( )
( )
( ) ( )
m
W D
QY
contracted m
371
766500250
6776751849025002507
3
23
2
2
7
3
2
3
2
2
2 =⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡ minus=
⎥⎥
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟ ⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ =
bull Caacutelculo de Y0 para la zona lateral
Y0 = Ac W2 = 087 m
bull Caacutelculo de Ys
Ys = Y2 ndashY0 = 05 m
bull Socavacioacuten en pilas
a = 152 m (ancho de pila)
Las variables hidraacuteulicas obtenidas por un programa
Vmax = 373 ms
Y1 = 284 m
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Determinamos los valores de las constantes con los datos que tenemos
K1=10 para pilas de frente redondeado (tabla de factor de correccioacuten por la
geometriacutea de la pila)
K2= 10 (la pila esta alineada con respecto al flujo)
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
- Calculo del nuacutemero de froud
( ) 706660
842 819
733
50
250
1
1
=
==
Fr
msmY g
V Fr
- Uso de la ecuacioacuten CSU
m
Y
Y S
583Y
842261Y
070666284
152111112
Fr )Y
a( KKK2K
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso praacutectico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 716 m
W total = 7162+152 = 1584 m
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Nota- cuando las pilas se encuentran sesgadas con respecto al flujo
Asumiendo que las pilas estaacuten sesgadas a 10 grados
K1=10 para pilas sesgadas a mas de 5 grados
K2=
COMO K2= (cos θ + La sin θ) 065
ENTONCES L =1219m y a =152m
La = 1219152 =802
K3 = 11 (condicioacuten de antidunas)
K4= 10 (correccioacuten por acorazamiento CANAL CON LECHO DE ARENA)
m
Y
Y S
055Y
842781Y
070666284
152111409112
Fr )
Y
a( KKK2K
CSU ECUACIONLADEUSO
S
S
043
065
043
1
065
1
4321
1
=
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 101 m
W total = 1012+152 = 2172 m
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull Socavacioacuten local en el estribo izquierdo
1 Ecuacioacuten de Frohelich
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de frohelich
Qe = 14868 m3s
Ae = 26465 m2
Lrsquo = 2328 m
Y1 = 083 m
Caacutelculo
Correccioacuten por el tipo de estribo (por tabla)
K1 = 055
Correccioacuten por la ubicacioacuten del estribo con respecto a la direccioacuten del flujo130
290
⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =
θ K
si θ = 90deg
0190
90130
2 =⎟ ⎠
⎞⎜⎝
⎛ =K
Profundidad promedio del flujo en el estribo
mm
m
L
AeYa 141
8232
65264
2
===
58
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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Velocidad promedio del flujo en la planicie de inundacioacuten obstruida por
el estribo
smm
sm
Ae
QeVe 560
69264
661482
3
===
Nuacutemero de Froud del flujo de aproximacioacuten
( ) ( )( )[ ]170
141 819
56050250===
msm
sm
gYa
VeFr
Calculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
300
272 610
430
21 +⎟⎟ ⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ = Fr
Y
LK K
Y
Y
aa
s
( )( ) ( ) 300170
141
823201550272
141
610
430
+⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛ =
m
m
m
Y s
mYs 15=
2 Ecuacioacuten de HIRE
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1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=129 ms
Y1 = 083 m
59
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015504504
830
330=
m
Y s
mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
60
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 3017 mgt305 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
1921
50250
1
===msm
sm
gY
VsubFr
Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
1
1
K K Fr
Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
61
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
62
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
63
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
64
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
65
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
67
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Caacutelculo
Lrsquogt25Y1 rArr 2328 mgt2075 m
Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]450
830 819
2911
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===msm
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Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
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( )( )( )
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015504504
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330=
m
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mYs 552=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior de
W= 2 Ys
W = 51 m
bull Socavacioacuten local en el estribo derecho
1 Ecuacioacuten de HIRE
5504 21330
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K K Fr
Y
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Variables hidraacuteulicas para la ecuacioacuten de HIRE
Vsub=219 ms
Y1 = 122 m
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Valida la ecuacioacuten de HIRE
Nuacutemero de froud
( )( )
( )( )[ ]630
2201 819
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Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
5504 21330
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( )( )( )
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015506304
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Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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Caacutelculo de la profundidad de socavacioacuten en el estribo
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Y
Y s =
( )( )( )
550
015506304
221
330=
m
Y s
mYs 194=
El ancho de la socavacioacuten se recomienda para uso practico un ancho superior deW= 2 Ys
W = 838 m
Evaluacioacuten de los resultados
bull En el caso de las pilas es mas conveniente utilizar las pilas bien
alineadas al flujo del cauce ya que asiacute se tiene una menor socavacioacuten
bull La profundidad de socavacioacuten en pilas no es la esperada seguacuten el Fr que
tenemos ya que este es menor de 08 y nuestra profundidad de
socavacioacuten es mayor al 24 m que recomienda las investigaciones de
CSU Por lo tanto adoptaremos la posibilidad de esta profundidad
colocaremos una proteccioacuten de sacos de suelo cemento alrededor de
las pilas
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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bull En cuanto a los resultados de los estribos vemos que en la ecuacioacuten de
Frohelich da resultado maacutes elevado que los obtenidos en laboratorio ya
que en esta ecuacioacuten se adopta un coeficiente de seguridad de (+03) el
cual fue agregado para cubrir el 98 de los datos Por eso trabajamos
en el estribo derecho con la ecuacioacuten de Hire que da datos maacutes cerca de
la realidad ya que esta ecuacioacuten fue realizada con datos de campo Se
protegeraacuten los estribos con gaviones
bull Seguacuten la inspeccioacuten realizada al lugar se tomaran previsiones de
colocado de gaviones en las zonas laterales propensas a la erosioacuten y en
la zona donde aparecen canales naturales por donde podriacutea desviarse el
cauce se estudiaraacute la posibilidad de colocar colchones
bull En cuanto al ancho de las socavaciones no habriacutea ninguna superposicioacuten
entre estos
8 OBRAS DE CONTROL
El disentildeo de las obras apropiadas a cada caso debe hacerse luego de que se
conozcan los resultados de los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos del tramo
que recibe la influencia de la construccioacuten de dichas obras Los resultados de
los estudios hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos presentan pronoacutesticos sobre la
evolucioacuten futura de la corriente y estimativos sobre magnitudes de los caudales
medios miacutenimos y de creciente niveles miacutenimos maacuteximos y medios posibles
zonas de inundacioacuten velocidades de flujo capacidad de transporte de
sedimentos socavacioacuten y agradacioacuten
Las obras maacutes comunes en corrientes naturales son las siguientes
a) Obras transversales para control torrencial Operan como pequentildeaspresas vertedero Su objetivo principal es el de reducir la velocidad del flujo
en un tramo especiacutefico aguas arriba de la obra Actuacutean como estructura de
control Pueden fallar por mala cimentacioacuten o por socavacioacuten generada
inmediatamente aguas abajo
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
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bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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b) Espolones para desviacioacuten de liacuteneas de flujo Son estructuras agresivas
que en lo posible deben evitarse porque pueden producir problemas
erosivos sobre las maacutergenes del tramo aguas abajo
c) Espolones para favorecer los procesos de sedimentacioacuten Son efectivos
cuando se colocan en un sector de alto volumen de transporte de
sedimentos en suspensioacuten Son estructuras permeables cuyo objetivo es
inducir la sedimentacioacuten en un tramo adyacente aguas arriba de las obras
Pueden fallar por erosioacuten en la punta del espoloacuten o en el tramo
inmediatamente aguas abajo
d) Obras marginales de encauzamiento Son obras que se construyen paraencauzar una corriente natural hacia una estructura de paso por ejemplo un
puente box-culvert alcantarilla etc Deben tener transiciones de entrada y
salida En el disentildeo debe considerarse que estas obras de encauzamiento
producen un aumento en la velocidad del agua con el consiguiente
incremento en la socavacioacuten del lecho
e) Obras longitudinales de proteccioacuten de maacutergenes contra la socavacioacuten Son muros o revestimientos suficientemente resistentes a las fuerzas
desarrolladas por el agua En algunos casos tambieacuten deben disentildearse como
muros de contencioacuten Pueden fallar por mala cimentacioacuten volcamiento y
deslizamiento
f) Acorazamiento del fondo Consisten en refuerzo del lecho con material de
tamantildeo adecuado debidamente asegurado que no pueda ser transportado
como carga de fondo Algunas veces la dinaacutemica del riacuteo produce tramos
acorazados en forma natural El fondo acorazado es un control de la
geometriacutea del caacuteuce
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
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bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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g) Proteccioacuten contra las inundaciones Son obras que controlan el nivel
maacuteximo esperado dentro de la llanura de inundacioacuten Pueden ser embalses
reguladores canales adicionales dragados y limpieza de caacuteuces o
jarillones Estas obras pueden ser efectivas para el aacuterea particular que se va
a defender pero cambian el reacutegimen natural del flujo y tienen efectos sobre
aacutereas aledantildeas los cuales deben ser analizados antes de construir las
obras
Los materiales de uso frecuente en este tipo de obras son los siguientes
bull Concreto cicloacutepeo simple o reforzadobull Gaviones colchonetas
bull Piedra suelta piedra pegada
bull Tablestacas metaacutelicas o de madera
bull Pilotes metaacutelicos de concreto o de madera
bull Bolsacretos sacos de suelo-cemento sacos de arena
bull Fajinas de guadua
bullElementos prefabricados de concreto Bloques hexaacutepodos etc
h) Migracioacuten de Meandros
bull De ser posible se recomienda ubicar el puente en el tramo recto ubicado
entre dos meandros sucesivos En dicha ubicacioacuten los procesos erosivos
son miacutenimos
bull En los casos en que el puente deba ser ubicado forzosamente en una
curva se deben considerar trabajos de estabilizacioacuten de riberas
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
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y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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10 BIBLIOGRAFIA
bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
httpwwwgeocitiescomgsilvamcauceshtmbull
bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
68
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bull El disentildeo de los trabajos de estabilizacioacuten debe tomar en consideracioacuten
la variacioacuten transversal del lecho que se esperan ocurriraacuten con su
implementacioacuten
Comparacioacuten de la curva de un riacuteo en dos situaciones (a) Condiciones Naturales y b) Curva
estabilizada
i) Degradacioacuten del lecho
bull Minimizar el nuacutemero de pilares en la seccioacuten de cruce y proveerlos
de profundidades adecuadas de cimentacioacuten
bull En canales poco anchos (lt 30 m) que experimentan inestabilidad
lateral con pequentildeas inestabilidades verticales se han usado
colchones de roca
bull Para controlar la erosioacuten de riberas se han empleado diques de
piedra ubicados longitudinalmente al pie de los taludes
j) Agradacioacuten del lecho
bull En el caso de lechos aluviales se recomienda el dragado del
material depositado
bull La constriccioacuten del cauce por medio de diques con el fin de
incrementar las velocidades del flujo tambieacuten ha sido utilizada
bull Canalizacioacuten del flujo
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
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MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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k) Inestabilidades locales causadas por la constriccioacuten del ancho del riacuteo y o
obstrucciones locales
bull Proveer cimentaciones profundas para los pilares y estribos
bull Proveer de forma hidrodinaacutemica pilares
bull Reducir la intensidad de los voacutertices aguas arriba de pilares y
estribos ldquohorse vortexrdquo por medio de barreras aguas arriba
l) Efectos de remanso por alineamiento y localizacioacuten
Se pueden proveer diques de proteccioacuten para salvaguardar zonas criacuteticas
contra inundaciones
El disentildeo de las obras combina varias disciplinas Hidraacuteulica Fluvial Geotecnia
y Estructuras La primera como ya se ha explicado suministra la informacioacuten
baacutesica que permite determinar las condiciones de cimentacioacuten y la magnitud de
las fuerzas que van a actuar sobre las obras que se proyecten
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El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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El estudio de la socavacioacuten es muy importante ya sea para la realizacioacuten de
proyectos o para determinar si fue o no la causa de falla de determinada obra y asiacute
prevenir en el futuro nuevas fallas y asiacute tener mejores ecuaciones para sudeterminacioacuten y tener cada vez mejores obras
En lo posible hay que tener los datos hidroloacutegicos hidraacuteulicos y geomorfoloacutegicos lo
mas completos y reales posibles y siempre hacer una inspeccioacuten del lugar para
corroborar los datos que se tienen para tener todos los datos para hacer una mejor
estimacioacuten de los cambios que se iraacuten dando en la zona con el pasar de los antildeos y
asiacute poder darle una buena solucioacuten para minimizar los riesgos y evitar el colapso
de las obras el mayor tiempo posible
Si no fuera posible tener toda la informacioacuten necesaria se recomienda realizar un
sondeo de la zona el cual incluye realizar los anaacutelisis requeridos consultar con los
vecinos para asiacute tener una idea del comportamiento de la naturaleza del lugar para
asiacute estimar los coeficientes de seguridad a ser adoptados
En este estudio se plantea el uso de algunas ecuaciones y medidas par reducir el
riesgo de socavaciones e inestabilidades mas no son las uacutenicas sino las mas
recomendadas al acercarse los resultados de las pruebas en laboratorio con las
pruebas realizadas en campo
Claro que lo ideal seriacutea que tuvieacuteramos anaacutelisis propios con conclusiones
experimentadas datos y mediciones actuales propias de la zona ya que algunas de
las ecuaciones fueron realizadas por condiciones propias de esa zona como por
ejemplo la ecuacioacuten de Hire realizada en el rioacute Mississippi en EEUU
Es necesario crear conciencia en la importancia del estudio de socavacioacuten tanto
para el disentildeo como para la conservacioacuten de las obras en especial los puentes
puesto que muchas veces su colapso cobra vidas humanas y conlleva graves
perjuicios econoacutemicos
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bull ldquoProcesos morfoloacutegicos en riacuteos relevantes en el disentildeo de puentesrdquo
MSc Ing Roberto Campantildea Toro
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bull ldquoEstabilidad de cauces y socavacioacuten en puentes ldquo
Nacional Highway Institute octubre 1999
bull ldquoPuentesrdquo
Belmonte G H Bolivia 2002
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