S O C A V A C I Ó N.

Presentación del tema: "S O C A V A C I Ó N."— Transcripción de la presentación:

1 S O C A V A C I Ó N

2 1.- INTRODUCCIÓN En los últimos años se han presentado grandes desastres en nuestro país debido a problemas de erosión y flujos de lodos y material grueso arrastrado por avenidas extraordinarias. El problema es atribuible a: Mala planeación. Diseño o construcción de obras. Asentamientos cercanos y dentro del área de influencia del cauce de los ríos. Para un buen diseño de dichas obras es necesario evaluar la posible socavación que pueda afectar sus estructuras.

3 En épocas anteriores, estos problemas se evitaron en lo posible seleccionando los sitios de cruce sobre tramos rectos de los escurrimientos con márgenes estables y donde era posible hacer arreglos de cruce perpendiculares. Así se construyeron obras de gran longitud con tolerancia a inundaciones o fallas ocasionales. Estas políticas han cambiado debido a la modificación de diversos criterios tales como: especificaciones más estrictas, incremento de dimensiones y costo de las obras, con la consecuente necesidad de reducir sus longitudes al mínimo. La demanda pública de tránsito libre en forma continua implica adoptar un criterio de diseño de acuerdo con una avenida con periodo de retorno razonable. Estos cambios llevan a ubicar ocasionalmente cruces en lugares sujetos a una gran erosión y hacen necesario dar más atención al diseño hidráulico, incluyendo el cálculo de muchos factores que determinen la seguridad de una estructura contra la erosión y la acción del agua.

4 SOCAVACIÓN TRANSVERSAL
TIPOS DE SOCAVACIÓN SOCAVACIÓN GENERAL SOCAVACIÓN TRANSVERSAL SOCAVACIÓN EN CURVAS SOCAVACIÓN LOCAL SOCAVACIÓN AGUAS DEBAJO DE GRANDES PRESAS SOCAVACIÓN AL PIE DE OBRAS DE EXCEDENCIAS Y DEFLECTORES DE DESCARGA SOCAVACIÓN BAJO TUBERÍAS

5 a) Socavación General Disminución generalizada del nivel del fondo como consecuencia del incremento de la capacidad del flujo para transportar material durante las avenidas. También se debe al desequilibrio ocasionado por la diferencia de capacidad de transporte entre dos secciones consecutivas que definen a un tramo; aquí las erosiones tienen lugar cuando el volumen de sedimento que sale por la sección de aguas abajo en un cierto periodo es mayor que el que entra al tramo por la sección aguas arriba en el mismo periodo. Este fenómeno es un proceso natural que puede ocurrir a todo lo largo del río y no es provocado por factores humanos.

6 b) Socavación Transversal
La reducción del ancho de la sección de un cauce ocasionada en forma natural o como consecuencia de una obra civil, es compensada con un incremento en la profundidad hasta el punto en el cual se alcanza la capacidad necesaria en la sección; este incremento de la profundidad del cauce se conoce como socavación transversal.

7 C) Socavación en Curvas
Se general en el fondo cercano al lado cóncavo de la curva o talud exterior debido al flujo helicoidal que se forma cuando el río cambia de dirección. Esto se debe a la sobreelevación del nivel del agua en esta zona producida por la fuerza centrifuga. Aun cuando no sea inducida por el hombre debe tomarse en cuenta que puede incrementarse al proteger, con enrocamientos o protecciones marginales, las curvas para estabilizar sus márgenes.

8 D) Socavación Local Se presenta al pie de las estructuras interpuestas a las corrientes, sumergidas o que emergen de la superficie del agua, como resultado de la deflexión de la líneas de flujo, la turbulencia y la vorticidad provocada por la presencia del obstáculo. Como ejemplo se tienen las pilas, estribos, espigones, etcétera. Esta clase de erosión puede manifestarse en dos tipos de estructuras: en las rodeadas por el flujo, como es el caso de las pilas en un puente, y en estructuradas pegadas a la margen, como en el caso de estribos y espigones.

9 E) Socavación Aguas Abajo de Grandes Presas
Consiste en el descenso gradual del fondo inducido por la interrupción del transporte de sedimentos de aguas arriba, ocasionada, a su vez, por la presencia de la cortina de la presa, en donde se retienen la mayor parte del sedimento que entra al vaso, lo anterior permite el incremento de la capacidad de transporte de partículas del fondo en el tramo aguas abajo, las cuales, además, no pueden ser reemplazadas.

10 F) Socavación al pie de obras de excedencias y deflectores de descarga
Se produce en secciones bajo descargas sin obras de protección y se debe a la gran energía del flujo en estas zonas, la cual se disipa generando turbulencia, esto facilita que las partículas sean suspendidas. Al incrementarse la erosión el tirante de agua aumenta amortiguando su caída, hasta una profundidad en la que las partículas sólidas ya no pueden ser levantadas.

11 F) Socavación bajo tuberías
Se produce en tuberías sumergidas debido a la turbulencia generada por el flujo alrededor de un tubo cuando éste se encuentra al descubierto del fondo del cauce. Además de la socavación bajo la tubería, se produce erosión, que por lo general es mayor, aguas debajo de ella.

12 2.- ESTIMACIÓN DE LA SOCAVACIÓN GENERAL
Es muy importante cuando se pretende construir o colocar obras y equipos cercanos, o cruzar una obra por el cauce. La intención es estimar la sección de máxima erosión correspondiente a un gasto de diseño, de tal forma que al construir la obra ésta no afecte ni sea afectada seriamente.

13 El cauce de un río está definido cuando tiene orillas bien marcadas y que en la época de estiaje toda la corriente escurre por un solo lecho. No están definido cuando en el estiaje se forman dos o más lechos por los que fluye el agua simultáneamente.

14 Para el cálculo de la socavación general se recomienda el Método de Lischtvam y Lebediev, el cual se basa en determinar la condición de equilibrio entre velocidad media de la corriente y la velocidad media del flujo necesario para erosionar el material que forma el cauce. Es aplicable para materiales del subsuelo con distribución homogénea (existe sólo un tipo de material en toda la profundidad de socavación) o heterogénea (dos o más capas de diferente tipo de material pueden ser erosionadas).

15 𝑈 𝑒 = 𝑈 𝑟 Condición de Equilibrio Donde:
Ue Velocidad media de la corriente necesaria para erosionar al material del fondo (inicio de arrastre), en m/s. Ur Velocidad media “real” de la corriente para el gasto de diseño, en m/s. Requerimientos Gasto de diseño Elevación del agua en su sección de estudio Perfil de la sección transversal Estratigrafía del material bajo el fondo Si el suelo es granular: granulometría del fondo y diámetro medio. Si el suelo es cohesivo: peso volumétrico seco. Requerimientos para sección bajo un puente Geometría del puente y cimentación Dirección de las líneas de flujo.

16 * Cálculo de Ur Hipótesis fundamental: El gasto que pasa por cualquier franja de ancho fijo de la sección permanece constante durante el proceso de erosión. La variación de la velocidad media del flujo Ur, como función de la profundidad en un punto de la sección puede ser obtenida mediante el análisis de una franja vertical de ancho ∆B

17 La ecuación de Manning aplicada a una franja vertical, de ancho ∆B, para el gasto correspondiente ∆Q es: ∆𝑄=𝑈∆𝐴= 1 𝑛 𝑆 1/2 𝑑 0 5/3 ∆𝐵 Donde: S Gradiente hiráulico. 𝑑 0 Profundidad inicial de la franja analizada, medida sobre su eje vertical entre el nivel del agua correspondiente al gasto de diseño y el nivel del fondo correspondiente al estiaje, en m. B Ancho total de la sección. Para encontrar B se traza una línea perpendicular a las líneas de corriente proyectada sobre la superficie libre del agua, así se toma en cuenta además el esviajamiento de la corriente

18 ∆𝑄=𝑈∆𝐴= α 𝑑 0 5/3 ∆𝐵 𝑄 𝑑 = 1 𝑛 𝑠 1/2 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒
Debido a que n y s se consideran constantes en la sección, el producto 1 𝑛 𝑆 1/2 es constante para cualquier punto y se designa con la letra α. ∆𝑄=𝑈∆𝐴= α 𝑑 0 5/3 ∆𝐵 El valor de α puede expresarse como una función de la profundidad media del flujo en la sección antes de la socavación, la velocidad en la sección Ur y el gasto de diseño Qd: 𝑄 𝑑 = 1 𝑛 𝑠 1/2 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒 Donde: Be Ancho efectivo, descontados todos los obstáculos, en metros. dm Profundidad media de la sección que resulta de dividir su área hidráulica por el ancho efectivo, en metros.

19 𝑄 𝑑 = 𝜇 𝑛 𝑠 1/2 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒 𝜇=1 − 0.387 𝑈 0 𝐿 ; 𝑈 0 = 𝑄 𝑑 𝐴
Considerando la turbulencia que el flujo produce cerca de las pilas y estribos, es necesario aplicar en la fórmula el coeficiente de contracción μ: 𝑄 𝑑 = 𝜇 𝑛 𝑠 1/2 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒 μ se puede calcular como función de la velocidad media del flujo y el claro entre las pilas y estribos L utilizando la siguiente expresión: 𝜇=1 − 𝑈 0 𝐿 ; 𝑈 0 = 𝑄 𝑑 𝐴 Al sustituir α: 𝑄 𝑑 = 𝜇 𝛼 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒 Despejando α: 𝛼= 𝑄 𝑑 𝜇 𝑑 𝑚 5/3 𝐵 𝑒

20 Para una franja de ancho ∆B, cuando 𝑑 0 aumenta a cualquier valor de profundidad de socavación, 𝑑 𝑠 , la velocidad decrece a un nuevo valor Ur y ∆Q se puede expresar como función de la velocidad y la profundidad: 𝑈 𝑟 𝑑 𝑠 ∆𝐵= 𝛼 𝑑 0 5/3 ∆𝐵 Donde 𝑑 𝑠 es la profundidad después de producirse la socavación del fondo, medida desde la superficie libre del agua al pasar la avenida hasta el fondo de la sección erosionada. 𝑈 𝑟 = 𝑑 0 5/3 𝑑 𝑠 Esta última ecuación es válida mientras el ancho de la sección permanezca constante durante el tiempo de la avenida y el fondo descienda uniformemente en todo el ancho de la sección.

21 * Cálculo de la socavación, 𝑼 𝒆 , para suelos homogéneos
La velocidad mínima necesaria para arrastrar los materiales erosionados, Ue, depende de la naturaleza de los mismos: Suelos cohesivos Suelos granulares o no cohesivos - 𝑈 𝑒 = 𝛽 γ 𝑠 𝑑 𝑠 66.28/ γ 𝑠 0.725 Si 0.05mm≤ 𝐷 84 ≤2.6mm 𝑈 𝑒 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.322/ 𝐷 2.6mm≤ 𝐷 84 ≤182mm 𝑈 𝑒 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.223/ 𝐷 182mm≤ 𝐷 84 ≤1000mm 𝑈 𝑒 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.191/ 𝐷 β Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno T, correspondiente al gasto de diseño. Determinado con la siguiente fórmula: 𝛽= 𝐿𝑛 𝑇 𝛾 𝑠 Peso volumétrico seco en ton/m3 𝑑 𝑠 Profundidad de socavación medida sobre el eje vertical de la franja analizada. 𝐷 𝑚 Diámetro medio del material del fondo.

22 * Cálculo de la socavación, 𝒅 𝒔 , para suelos homogéneos
La profundidad hasta la que llegará la socavación general se obtiene de igualar el valor de la velocidad media Ur con el valor de la velocidad mínima necesaria para arrastrar los materiales erosionados Ue.

23 Suelos granulares Suelos cohesivos
𝛼 𝑑 0 5/3 𝑑 𝑠 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.322/ 𝐷 𝛼 𝑑 0 5/3 𝑑 𝑠 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.223/ 𝐷 𝛼 𝑑 0 5/3 𝑑 𝑠 =4.7 𝛽 𝐷 𝑑 𝑠 0.191/ 𝐷 Suelos granulares 𝛼 𝑑 0 5/3 𝑑 𝑠 = 𝛽 𝛾 𝑠 𝑑 𝑠 66.28/ 𝛾 𝑠 0.725 Suelos cohesivos

24 Al despejar la profundidad de socavación 𝑑 𝑠 se obtendrán las relaciones correspondiente para su cálculo: Suelos granulares Suelos cohesivos 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝐷 𝐷 /( 𝐷 ) Si 0.05mm≤ 𝐷 84 ≤2.6mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝐷 𝐷 /( 𝐷 ) Si 2.6mm≤ 𝐷 84 ≤182mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝐷 𝐷 /( 𝐷 ) Si 182mm≤ 𝐷 84 ≤1000mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/3 𝛽 𝛾 𝑠 𝛾 𝑠 /( 𝛾 𝑠 ) . Para el cálculo de la socavación general se presupone una condición inicial de equilibrio, por lo que la socavación calculada ocurre se presenta el gasto de diseño.

25 Prueba y error Semigráfico
* Cálculo de la socavación, 𝒅 𝒔 , para suelos heterogéneos Un suelo heterogéneo está integrado por dos o mas tipos de materiales muy diferentes entre sí, conformados en capas. No importa el tipo de estratificación, la profundidad de equilibrio se calcula a través de los siguientes métodos: Prueba y error De la distribución estratigráfica, se escoge el estrato superior y según el material, se calcula 𝑑 𝑠 . Si la profundidad resulta bajo el nivel del límite inferior del estrato, se escoge el segundo estrato y se repite el cálculo anterior. Se debe iniciar desde el estrato superior, hasta el inferior. Cuando la ds calculada se encuentra a un nivel superior al del estrato analizado, significa que este estrato es resistente a la erosión. En todos los tanteos se usa el mismo valor de 𝑑 0 Semigráfico Por cada franja vertical se calculan las velocidades Ur y Ue a diferentes profundidades. Los resultados se grafican en un eje coordenado, la velocidad en el eje horizontal y las profundidades en el vertical. La intersección de las curvas, determina la profundidad de equilibrio de la socavación y velocidad media correspondiente.

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27 * Cálculo de la socavación general cuando la rugosidad no es uniforme en la sección
Cuando hay dos o más zonas con diferente rugosidad a lo ancho de la sección de estudio, el cálculo es semejante, a diferencia de trabajar en forma aislada cada franja y para cada una se debe calcular el coeficiente α correspondiente: 𝛼 𝑖 = 𝑄 𝑑𝑖 𝜇 𝑖 𝑑 𝑚𝑖 5/3 𝐵 𝑒𝑖 Este caso se presenta cuando existe un cause de avenidas extenso y cubierto de vegetación, aunque también en el caso de suelos heterogéneos. El subíndice i se refiere a cada franja de la sección en estudio.

28 Para evaluar el gasto en cada franja se aplica la siguiente expresión:
𝑄 𝑑𝑖 = 𝑄 𝑑 𝐴 𝑒𝑖 𝐶 𝑖 𝑑 𝑖 𝑖=1 𝑛 𝐴 𝑒𝑖 𝐶 𝑖 𝑑 𝑖 𝐶 𝑖 = 𝑑 𝑖 1/6 𝑛 𝑖 Donde: Qdi Gasto que pasa por cada franja de la sección en m3/s Aei Área hidráulica total antes de la erosión de la sección en estudio, es decir, el área hidráulica total menos el área proyectada por los obstáculos en el plano perpendicular al flujo. Qd Gasto total de diseño, en m3/s. Ci Coeficiente de rugosidad de Chezy de cada franja. di Profundiad media en cada franja en m. ni Coeficiente de rugosidad de Manning de cada franja.

29 * Efecto en la socavación cuando el flujo tiene una alta concentración de sedimento en suspensión
Al favorecerse el transporte de materiales finos en suspensión, existe una reducción en la profundidad de socavación calculada para una determinada velocidad media. Se requiere turbulencia para levantar las partículas del fondo, que es función de la velocidad del flujo dividida por la viscosidad cinemática del fluido. Si existe gran cantidad de material en suspensión, su peso específico y viscosidad incrementan, reduciendo el grado de turbulencia del flujo. Para un cierto flujo con sólidos en suspensión es necesario incrementar la velocidad media para obtener el mismo grado de socavación que con agua limpia.

30 Suelo granular Suelo cohesivo
El coeficiente ψ depende del valor del peso específico del agua con sedimento suspendido ( 𝛾 𝑚 ) y se calcula con las siguientes expresiones: 𝜑= 𝛾 𝑚 Profundidad de socavación general: Suelo granular Si 0.05mm≤ 𝐷 84 ≤2.6mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝜑 𝐷 𝐷 𝐷 Si 2.6mm≤ 𝐷 84 ≤182mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝜑 𝐷 𝐷 𝐷 Si 182mm≤ 𝐷 84 ≤1000mm 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/ 𝛽 𝜑 𝐷 𝐷 𝐷 Suelo cohesivo 𝑑 𝑠 = 𝛼 𝑑 0 5/3 𝛽 𝜑 𝛾 𝑠 𝛾 𝑑 𝛾 𝑠 0.725

31 * Recomendaciones El método de Lischtvam y Lebediev permite determinar, además del valor de la socavación general: La socavación debida a contracción en secciones donde se reduce el área hidráulica. El criterio de Strub, se aplica en la socavación debida a contracciones. La hipótesis fundamental es que el gasto por unidad de ancho de cada franja permanezca constante durante todo el proceso de erosión, no tomando en cuenta el flujo transversal. La zona con menor resistencia se erosiona más rápido. Donde existen materiales menos resistentes corresponden profundidades mayores que las estimadas.

32 Ejemplos para socavación en campo
Para evaluar el grado de precisión del método para calcular la socavación, es necesario compararlo y calibrarlo con datos observados en el campo. Ejemplos para socavación en campo Perforaciones durante la sequía. Éstas se rellenan con materiales diferentes a los del fondo. En el siguiente periodo de sequía se perfora de nuevo hasta alcanzar la profundidad del material que no ha sido erosionado. Tubos en épocas de avenidas. Se introducen tubos de 2.5 a 5 cm de diámetro, usando una bomba de agua. El agua se pasa por un extremo del tubo y sale a chorro por el otro lado, facilitando su hincado hasta la profundidad de socavación deseada. Para conocer la profundidad se insertan discos metálicos que estarán hasta el fondo del cauce. El disco será recuperado a la siguiente época de sequía, la profundidad que alcance será la socavación en avenidas. Ecosonda Se debe realizar desde un puente, por conveniencia, economía y seguridad. Presenta serias dificultades: La velocidad del agua afecta las mediciones. Los cuerpos flotantes pueden destruir el transductor. Es caro mantener el equipo y personal en el sitio esperando una avenida. El tiempo entre la lluvia y su descarga es demasiado corto, por lo que no da tiempo ubicar el equipo en una precipitación fuerte. A pesar de todo es de los más confiables para conocer los movimientos del fondo del cauce.

33 3.- ESTIMACIÓN DE LA SOCAVACIÓN TRANSVERSAL
Para tener una idea de la socavación transversal se puede usar el método para la socavación general, aunque también se puede usar la fórmula de Straub. Partiendo de que el gasto sólido total por cualquier sección del tramo del río en estudio debe ser el mismo, es decir: 𝐺 𝐵0 = 𝐺 𝐵1 Donde 𝐺 𝐵 es el gasto sólido transportado por el fondo. Los subíndices 0 y 1 corresponde a las secciones normal y reducida, respectivamente. Fórmula para el transporte de sedimentos, considerando las condiciones hidráulicas durante la ocurrencia de la avenida:

34 Fórmula para el transporte de sedimentos, considerando las condiciones hidráulicas durante la ocurrencia de la avenida: 𝑑 𝑚1 = 𝑑 𝑚0 𝐵 0 𝐵 /3 Donde: 𝑑 𝑚𝑖 Profundidad media de la sección analizada. 𝑑 𝑚1 Ancho efectivo de la sección analizada. Subíndice 1: Sección reducida Subíndice 0: Sección inalterada localizada aguas arriba. Fórmula para el transporte de sedimentos, considerando que las pendientes hidráulicas sean diferentes: 𝑑 𝑚1 = 𝑑 𝑚0 𝑆 0 𝑆 𝐵 0 𝐵 /3

35 Fórmula de Straub Debe aplicarse a fondos arenosos con distribución homogénea Utilizada para estimaciones preliminares Útil para calcular la erosión en una sección reducida de ancho fijo. No hay erosión lateral Supone que el transporte de sedimentos entre una sección no alterada aguas arriba y una de ancho reducido es constante

36 Acciones preventivas de una erosión intensa en las secciones de los puentes:
Mantener el cauce limpio de vegetación en una longitud al menos igual a 1 o 2 veces el ancho del cauce (2Be) hacia aguas arriba y la mitad (Be/2) hacia aguas abajo.

37 Sección transversal en estiaje:
4.- ESTIMACIÓN DE LA SOCAVACIÓN EN CURVAS Sección transversal en estiaje: Se puede usar el método para la socavación general, pues indicará mayores profundidades en el lado exterior de las curvas. Su aplicación presenta la ventaja de evaluar la profundidad máxima y forma aproximada de la sección transversal ya socavada. Sección transversal sin estiaje: Las profundidades media y máxima se calcular a partir de las características de la curva en planta (Radio de curvatura r y ancho de superficie libre B).

38 Maza Álvarez propone la siguiente fórmula basada en datos proporcionados por Altunin:
𝑑 𝑐 =1.9 𝐵 𝑟 𝑑 𝑟𝑚 Donde; dm Profundidad media en el tramo recto aguas arriba, en metros. dc profundidad media a lo lardo de la zona erosionada de la curva, en metros. La profundad máxima, dc max, puede ser determinada con: 𝑑 𝑐 max = 3.73 − 𝑟 𝐵 𝑑 𝑚 Si 2.0≤r/B≤5.91 𝑑 𝑐 max = 𝐵 𝑟 𝑑 𝑚 Si r/B ≥5.91

39 Existen dos casos de socavación local:
5.- ESTIMACIÓN DE LA SOCAVACIÓN LOCAL Existen dos casos de socavación local: Cuando se produce al pie de obstáculos rodeados por la corriente. (Pilas de un puente) Por obstáculos pegados a una margen, cuya función es desviar la corriente. (Espigones y estribos)

40 * Socavación local al pie de pilas de puentes
Maza y Sánchez obtuvieron 3 diagramas, en los que se puede determinar la socavación local como función de la relación entre el ancho de la pila y la profundidad del agua y el cuadrado del numero de Froude. Diagrama para determinar la socavación alrededor de pilas rectangulares

41 Diagrama para determinar la socavación alrededor de pilas rectangulares con frentes redondeados

42 Diagrama para determinar la socavación alrededor de pilas circulares.

43 Donde: d Tirante de la corriente frente a la pila en una zona no afectada por la erosión local. Obtenido después de calcular la socavación general, transversal o en curvas. b1 Proyección de la pila en un plano perpendicular a la corriente. Φ Ángulo entre la dirección del flujo y el eje longitudinal de la pila F Número de Froude del escurrimiento aguas arriba de la pila. U Velocidad media del flujo inmediatamente aguas arriba de las pilas(sin la presencia de las pilas), después de que el fondo ha sido erosionado, sin tomar en cuenta la erosión local. dsm Profundidad media de la sección donde se obtuvo Up. S Erosión local medida desde el fondo no afectado por esta erosión. St Erosión local medida desde la superficie libre del agua. fc Coeficiente que afecta al número de Froude (F), cuando Φ diferente de 0 y F>0.25.

44 Los parámetros que influyen en la profundidad de la socavación al pie de una pila se agrupan, de acuerdo a su naturaleza en 5 clases: Parámetros Hidráulicos Velocidad media del flujo Profundidad del flujo en la cara de la pila Distribución de velocidades Dirección del flujo respecto al eje de la pila. Parámetros del Material del Fondo Diámetro del material Curva granulométrica Forma del grano Grado de cohesión Peso específico sumergido Espesor de la capa del subsuelo Parámetros Geométricos de las Pilas Ancho Relación longitud-Ancho Sección transversal Características de la localización del puente Contracción de la sección Radio de curvatura Obras de control Parámetros de tiempo Duración de avenidas Tiempo para remover el material

45 * Pilas rectangulares alineadas con el flujo
Cuando el flujo alcanza la velocidad media, la erosión inicia en las 2 esquinas de la cara aguas arriba y el material erosionado se deposita en los lados. Al aumentar la velocidad se inicia el transporte del fondo aguas arriba y se deposita en la zona de erosión. Conforme la profundidad de erosión varia, la estabilización del proceso es interferida por la formación de dunas y rizos

46 * Pila rectangular esviajada con respecto a la dirección del flujo
La erosión inicia en la equina exterior de la cara aguas arriba y conforme aumenta la velocidad del flujo se hace uniforme frente a esa cara. La máxima socavación ocurre en la esquina de aguas abajo expuesta al flujo y no protegida por el cuerpo de la pila. Las magnitudes de las erosiones pueden ser de 2 o más veces mayores que para las pilas alineadas. * Pilas circulares y rectangulares con frentes redondeados La erosión se inicia en dos regiones aproximadamente a 65° a cada lado del eje de la pila. Aguas debajo de las pilas circulares, las velocidades se incrementan más que en las rectangulares formando un vórtice con mucho material suspendido. Cuando no se puede garantizar que la dirección de la pila se mantendrá fija, conviene usar pilas circulares.

47 Diferentes etapas de los procesos de socavación de pilas

48 * Comentarios generales
La erosión local a pie de obras rodeadas por la corriente se incrementa notablemente cuando la estructura está esviajada. Si el fondo del rio contiene boleos, la erosión local al pie de pilas es menor que la teórica. No se conoce ningún método confiable para tal reducción. No se puede evaluar la erosión local cuando el material del fondo es cohesivo, La erosión local debe calcularse a apartir de las condiciones de la erosión calculada del tipo general, transversal, en curvas, etc. Estribos y espigones Es el tipo de erosión mas difícil de determinar y estudiar, debido a la cantidad de parámetros que es necesario tomar en cuenta y porque varían notablemente de un punto a otro. Para evaluar esta erosión se proponen las relaciones obtenidas principalmente de datos de Artamonof y Veiga da Cundha.

49 La socavación al pie de un estribo, medida desde la superficie libre está dada por:
𝒅 𝒆 = 𝑲 𝜶 𝑲 𝒌 𝑲 𝒒 𝒅 𝒂 Donde: 𝒅 𝒆 Tirante del flujo en el extremo del estribo considerando la erosión local. 𝒅 𝒂 Tirante del flujo aguas arriba del estribo en una zona no afectada por la erosión del estribo, pero que incluya la erosión general, transversal, en curva que afecte el fondo. 𝑲 𝜶 Coeficiente que depende del ángulo α. Se obtiene con la relación: 𝑲 𝜶 =𝟎.𝟕𝟖𝟐 𝒆 𝟎.𝟎𝟐𝟕𝟒∝ α Ángulo medido aguas abajo del eje del puente y formado entre ese eje y la dirección del flujo. 𝑲 𝒌 Coeficiente que depende del talud, k, del extremo del estribo. Se obtiene con la expresión: Si ≤k≤1.3: 𝐾 𝑘 = 𝑘 Si 1.5≤k≤3: 𝐾 𝑘 = 𝑘 2.8 𝑘 −2.34

50 𝑲 𝒒 Coeficiente que depende del cociente Q1 y Q
𝑲 𝒒 Coeficiente que depende del cociente Q1 y Q. Donde Q1 es el gasto teórico que podría pasar en el área ocupada por el estribo si éste no existe. Q es el gasto total del río. Se obtiene de: 𝐾 𝑞 = 𝐿𝑛 𝑄 1 𝑄 De la misma manera puede ser aplicada a espigones, siendo necesario saber si están construidos en ambos márgenes y opuestos uno al otro, en este caso la socavación se reduce 75%. 𝒅 𝒆 = 𝑲 𝜶 𝑲 𝒌 𝑲 𝒒 𝒅 𝒂 Es aconsejable tomar Q1 como el flujo teórico máximo interceptado por el espigón hasta su cresta.

51 6.- ESTIMACIÓN DE LA SOCAVACIÓN AGUAS DEBAJO DE GRANDES EMBALSES.
Esta socavación es generada por las descargas de la presa casi libre de sedimento, lo que ocasiona que las partículas que son erosionadas y transportadas de las primeras secciones cercanas a la presa no sean reemplazadas por otras que proceden de aguas arriba, ello ocurre en el primer tramo. La erosión es mayor en las primeras secciones y disminuye paulatinamente a medida que se alejan hacia aguas abajo. Conforme las descargas continúan, el tramo erosionado se alarga debido a que las descargas del río remueven y transportan el sedimento del fondo. Cuando el material del fondo contiene boleos tiende a acorazarse (las partículas de mayor diámetro quedan en la superficie protegiendo a las de menor diámetro).

52 La erosión aguas debajo de grandes embalses depende principalmente de las descargas, su variación y duración, de las características del material del cauce y del transporte de sedimentos producidos en el tramo no alterado o segundo tramo. Esquema del proceso de socavación aguas debajo de grandes presas.

53 Ventajas del método propuesto por Maza.
* Método de solución Ventajas del método propuesto por Maza. Considera el proceso erosivo y cambios morfológicos del canal. (El ancho varía con la pendiente, profundidad y transporte de sedimentos). No presenta instabilidades de los métodos numéricos de solución. Para la cuantificación de la erosión utiliza ecuaciones para el estudio de estabilidad de canales. Considera la estabilidad dinámica del tramo en estudio.

54 * Cálculos preliminares
Conocer el gasto dominante, perfil y secciones de interés del río aguas abajo Hasta una longitud de 50 km aproximadamente Ajustar estos parámetros a observaciones reales, para un calculo más preciso. Al final del primer tramo el canal no es afectado por esta socavación. Aguas debajo de este punto, la pendiente hidráulica permanece igual a la original. Nuevo gasto formativo de la presa Para Planta hidroeléctrica, considerar el gasto medio máximo diario. Si el vertedor presenta descargas durante largos periodos, el gasto asociado con éstas, se toma como el gasto formativo. El ancho, profundidad y nuevo gasto formativo en el e segundo tramo se obtiene con S1 Para la primera sección, el transporte de sedimentos es nulo. Lo que significa que la pendiente hidráulica S= Sc 𝑆 𝑐 = 𝑁 𝐾 1 𝑤 𝛼 𝑄 𝑚 𝑤 𝑤 1.178𝑚+1 Se divide el primer tramo en N segmentos iguales A cada tramo se le aplican las fórmulas para el diseño de causes estables. Grados de libertad Si en el primer tramo las márgenes están formadas pro roca o son muy resistentes, se pierde 1 grado de libertad Debido a que B se considera constante en todo el proceso. * Cálculos preliminares

55 * Hipótesis Cuando existen más variables desconocidas que ecuaciones, se pueden establecer las siguientes hipótesis: El transporte de sedimento varía de acuerdo con la ley preestablecida desde cero en la primera sección hasta Qbr en la última sección del primer tramo. Estas secciones se encuentran a la distancia Lr, medida a lo largo del cauce. Se puede aplicar una variación lineal o cualquiera que cumpla el principio de continuidad del sedimento para cada tramo. El coeficiente K depende del transporte de sedimento Para material del fondo se ha obtenido que: K=8.22 para Qb=0 y Kmax=25.82 para Qb máximo. K varía desde Kc=10 en la primera sección hasta K=Kr en la última. Es recomendable iniciar con Kr=18, cuando no hay información para determinar K.

56 Aguas abajo del origen se mantiene S=Sr y Qb=Qbr
* Cálculo de la socavación Seleccionar la longitud L, para el tramo sujeto a erosión. Se establece un sistema coordenado con el origen en la ultima sección del primer tramo, al final de la longitud Lr. La distancia horizontal desde la presa al origen de los ejes es L. 𝐿= 𝐿 𝑟 cos 𝛼 𝑆 𝑟 = tan 𝛼 Se divide L en N segmentos. Se propone Qbi para cada sección entre tramos, haciéndola variar linealmebte de cero a Qbr como primera opción. 𝑄 𝐵𝑖 =(1− 𝑋 𝑖 𝐿 ) 𝑄 𝐵𝑟 Aguas abajo del origen se mantiene S=Sr y Qb=Qbr Se obtiene Ki = 1…N para cada sección