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iii iii UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ARTICULO CIENTIFICO TITULO DEL PROYECTO DE INVESTIGACION SOCAVACIÓN AL PIE DE MUROS LONGITUDINALESALUMNO: CHANCA HINOSTROZA, Miguel HUNCAYO PERU 2012

Socavacion de estribos

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socavacion de estribos

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  • iiiiii

    UNIVERSIDAD NACIONAL

    DEL CENTRO DEL PERU

    FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

    ARTICULO CIENTIFICO

    TITULO DEL PROYECTO DE INVESTIGACION

    SOCAVACIN AL PIE DE MUROS LONGITUDINALES

    ALUMNO: CHANCA HINOSTROZA, Miguel

    HUNCAYO PERU

    2012

  • iviv

    DEDICATORIA

    A mis Padres

    por su ternura, paciencia y apoyo incondicional.

    A mis tutores:

    por guiarme, orientarme y extenderme siempre sus manos solidarias y sabias

    durante el desarrollo de esta investigacin.

    Eugenio Mora quien con su dedicacin y profesionalismo me orient en la

    realizacin de este trabajo

  • v

    RESUMEN

    En esta investigacin se pretende estudiar la socavacin al pie de muros longitudinales en

    ros de montaa, con el objeto de desarrollar una ecuacin que permita determinar la

    magnitud de dicha socavacin. Con tal fin, se construy un modelo fsico que recrea las

    condiciones en las que se produce la socavacin, tomando en cuenta parmetros tales como

    la pendiente del ro, el tamao de los sedimentos, el caudal, y la longitud y el espesor del

    muro.

    Este modelo permiti la toma de datos para definir la ecuacin, y adems sirvi para

    confrontar los resultados obtenidos con los que proporcionaron las ecuaciones ya

    establecidas para estribos en ros, pues existen similitudes geomtricas entre muros

    longitudinales y estribos, lo que permite el uso de dichas frmulas cuando se desea estimar

    la profundidad de socavacin en muros. Para realizar esta comparacin se determinaron los

    errores cometidos al aplicar dichas ecuaciones de estribos. Adems, se realiz un ajuste de

    las ecuaciones que generaban menos error, para adaptarlas a los datos de los ensayos de

    esta investigacin.

    Igualmente, las ecuaciones desarrolladas fueron verificadas utilizando algunos datos de

    campo medidos en el Ro Milla del Estado Mrida.

  • vi

    NDICE GENERAL

    Pg

    Aprobacin.............................................................................................................. ii

    Dedicatoria............................................................................................................... iii

    Agradecimientos...................................................................................................... iv

    Resumen................................................................................................................... v

    ndice general........................................................................................................... vi

    ndice de Tablas....................................................................................................... xi

    ndice de Figuras...................................................................................................... xii

    Lista de smbolos..................................................................................................... xv

    CAPTULO 1: INTRODUCCIN....................................................................... 1

    1.1 Introduccin...................................................................................................... 1

    1.2 Planteamiento del problema............................................................................. 3

    1.3 Objetivo General.............................................................................................. 4

    1.4 Objetivos Especficos....................................................................................... 4

    1.5 Hiptesis........................................................................................................... 4

    CAPTULO 2: CONSIDERACIONES TERICAS.......................................... 5

    2.1 Muros longitudinales......................................................................................... 5

    2.2 Socavacin........................................................................................................ 6

    2.3 Factores que influyen en la socavacin............................................................. 9

  • vii

    2.3.1 La geomorfologa................................................................................... 9

    2.3.2 Granulometra........................................................................................ 10

    2.3.3 Dimetro de sedimentacin.................................................................... 11

    2.3.4 Forma de las partculas.......................................................................... 11

    2.3.5 Peso especfico....................................................................................... 12

    2.3.6 Geometra del cauce............................................................................... 13

    2.3.7 Rgimen de flujo.................................................................................... 14

    2.3.8 Viscosidad del agua............................................................................... 14

    2.4 Causas de la socavacin.................................................................................... 15

    2.5 Consecuencias de la socavacin....................................................................... 15

    2.6 Formas de socavacin....................................................................................... 16

    2.6.1 Socavacin en lecho mvil.................................................................... 16

    2.6.2 Socavacin en agua clara....................................................................... 17

    2.7 Tipos de socavacin.......................................................................................... 17

    2.7.1 Socavacin general del cauce................................................................. 17

    2.7.2 Socavacin transversal en estrechamientos........................................... 18

    2.7.3 Socavacin en el lado exterior de las curvas......................................... 18

    2.7.4 Socavacin local.................................................................................... 19

    2.7.4.1 Influencia del transporte de sedimentos en la socavacin local. 22

    2.7.4.2 Principios generales que caracterizan la socavacin local.......... 25

    2.7.4.3 Socavacin local en pilas............................................................ 25

    2.7.4.4 Socavacin local en estribos....................................................... 27

    2.8 Proteccin contra la socavacin........................................................................ 32

  • viiiviii

    2.9 Condiciones crticas para la iniciacin del movimiento................................... 33

    CAPTULO 3: ANTECEDENTES...................................................................... 38

    3.1 Mtodo de Lischtvan-Levediev........................................................................ 38

    3.2 Mtodo de Artamonov...................................................................................... 40

    3.3 Mtodo de Laursen............................................................................................ 41

    3.4 Mtodo de Liu................................................................................................... 44

    3.5 Frmula de la Universidad de Los Andes......................................................... 44

    3.6 Estudios de R. J. Keller..................................................................................... 45

    3.7 Estudios de Kandasamy y Melville................................................................... 48

    CAPTULO 4: ANLISIS DIMENSIONAL..................................................... 53

    CAPTULO 5: DESCRIPCIN DEL MODELO.............................................. 57

    5.1 Caractersticas del modelo................................................................................ 57

    5.2 Montaje del modelo.......................................................................................... 58

    5.2.1 Materiales y equipos requeridos............................................................ 58

    5.2.2 Procedimiento........................................................................................ 59

    5.3 Toma de datos................................................................................................... 64

    5.4 Clculo del caudal............................................................................................. 70

    5.5 Valores de socavacin medidos........................................................................ 71

    5.6 Perfiles longitudinales del material de fondo.................................................... 73

    5.7 Resumen de las profundidades de socavacin mximas................................... 76

  • ixix

    5.8 Estudios granulomtricos del material del fondo.............................................. 80

    CAPTULO 6: ANLISIS DE RESULTADOS.................................................. 82

    6.1 Comparacin de los resultados con las frmulas de socavacin existentes....... 82

    6.1.1 Frmula de Lischtvan-Levediev.............................................................. 83

    6.1.2 Frmula de Laursen................................................................................. 88

    6.1.3 Frmula de Liu......................................................................................... 92

    6.1.4 Frmula de la Universidad de Los Andes................................................ 95

    6.1.5 Frmula de Keller.................................................................................... 98

    6.1.6 Frmula de Komura................................................................................. 101

    6.1.7 Anlisis de las comparaciones con las frmulas para el clculo de

    socavacin.............................................................................................. 103

    6.2 Correccin de la Frmula de Lischtvan-Levediev............................................ 105

    6.3 Desarrollo de la frmula de socavacin para muros longitudinales................. 107

    6.3.1 Modificacin de la Frmula de la ULA................................................... 109

    6.3.2 Otros ajustes por mnimos cuadrados...................................................... 110

    6.3.3 Modificacin de la Frmula de la ULA relacionndola con la Frmula

    de Lischtvan-Levediev............................................................................. 113

    6.4 Verificacin de la Frmula de Lischtvan-Levediev y la de la ULA

    modificada con datos de socavacin del Ro Milla.......................................... 117

    CONCLUSIONES.................................................................................................. 125

    RECOMENDACIONES........................................................................................ 128

  • x

    REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................. 129

    ANEXO I: Profundidades de socavacin (Disco compacto).................................

    132

    ANEXO II: Perfiles longitudinales del material de fondo (Disco compacto).......

    205

    ANEXO III: Profundidades de socavacin segn Lischtvan-Levediev, Laursen,

    Liu, ULA, Keller y Komura (Disco compacto).......................................................

    278

    ANEXO IV: Frmula de Lischtvan-Levediev modificada (Disco compacto).......

    305

    ANEXO V: Desarrollo de las frmulas para socavacin en muros longitudinales

    a partir del anlisis dimensional planteado (Disco compacto).................................

    319

  • xi

    NDICE DE TABLAS

    Pg

    Tabla 3.1: Valores de Ks y Kp segn Kandasamy y Melville................................... 52

    Tabla 4.1: Variables empleadas en el anlisis dimensional..................................... 55

    Tabla 5.1: Profundidades de socavacin para un muro de 5cm de espesor, 1,20m

    de longitud y Q= 28.32 L/s.................................................................... 71

    Tabla 5.2: Socavacin mxima y en el extremo aguas arriba del muro................... 76

    Tabla 6.1: Coeficiente de contraccin...................................................................... 84

    Tabla 6.2: Coeficiente ........................................................................................... 84

    Tabla 6.3: Valores de x y 1/(1+x) para suelos cohesivos y no cohesivos............... 85

    Tabla 6.4: Errores en la Frmula de Lischtvan-Levediev........................................ 86

    Tabla 6.5: Errores en la Frmula de Laursen........................................................... 90

    Tabla 6.6: Errores en la Frmula de Liu.................................................................. 93

    Tabla 6.7: Errores en la Frmula de la ULA............................................................ 96

    Tabla 6.8: Resumen de los errores de las ecuaciones de socavacin....................... 103

    Tabla 6.9: Factor modificado de la Frmula de Lischtvan-Levediev...................... 105

    Tabla 6.10: Coeficientes para la frmula de la ULA modificada......................... 110

    Tabla 6.11: Coeficientes de la Ecuac 2 para socavacin en muros longitudinales. 111

    Tabla 6.11: Coeficientes de la Ecuac 3 para socavacin en muros longitudinales. 112

    Tabla 6.13: Clculos segn la frmula de Bathurst (Prog 0+126,842).................... 120

    Tabla 6.14: Clculos segn la frmula de Bathurst (Prog 0+171,372).................... 120

    Tabla 6.15: Datos para el clculo de la profundidad de socavacin en el Ro Milla. 121

    Tabla 6.16: Resultados del clculo de la profundidad de socavacin en el Ro

    Milla..........................................................................................................................

    122

  • xii

    NDICE DE FIGURAS

    Pg.

    Figura 2.1: Muro longitudinal en ro........................................................................

    5

    Figura 2.2: Colapso de puente por socavacin........................................................

    7

    Figura 2.3: Socavacin en el Sector Onia, Estado Mrida......................................

    7

    Figura 2.4: Cauce definido e indefinido...................................................................

    10

    Figura 2.5: Colapso de un muro de tierra armada por socavacin en la autopista

    Rafael Caldera del Estado Mrida..........................................................

    16

    Figura 2.6: Socavacin en pilas de puentes.............................................................

    26

    Figura 2.7: Socavacin en estribos de puentes (Ro Chama, Sector Pan de

    Azcar, Estado Mrida).......................................................................

    32

    Figura 2.8: Proteccin de pilas de puentes con placas metlicas.............................

    33

    Figura 2.9: Esquema de definicin para la iniciacin del movimiento de una

    partcula de sedimento en el fondo de un cauce con pendiente

    (Aguirre, 1980).....................................................................................

    36

    Figura 5.1: Material del fondo.................................................................................

    59

    Figura 5.2: Proteccin al final del canal para evitar la prdida de material............

    60

    Figura 5.3: Colocacin de plastilina en los bordes del muro...................................

    61

    Figura 5.4: Vista longitudinal del modelo...............................................................

    61

    Figura 5.5: Nivelacin de la superficie del material de fondo.................................

    61

    Figura 5.6: Proteccin de la bomba.........................................................................

    62

    Figura 5.7: Vertedero del canal................................................................................

    63

  • xiiixiii

    Figura 5.8: Estructura de disipacin de energa presente en el canal....................... 63

    Figura 5.9: Vista transversal del canal....................................................................

    63

    Figura 5.10: Vista del tanque de recirculacin con la bomba en funcionamiento...

    65

    Figura 5.11: Bomba empleada en los experimentos................................................

    65

    Figura 5.12: Vistas del material del fondo del canal durante los experimentos......

    66

    Figura 5.13: Piezmetro empleado para la determinacin del caudal.....................

    66

    Figura 5.14: Controles para variar la pendiente del canal.......................................

    67

    Figura 5.15: Vista superior del muro de 11 cm de espesor......................................

    68

    Figura 5.16: Llave que permite el paso de agua al canal.........................................

    68

    Figura 5.17: Llave de descarga del canal.................................................................

    68

    Figura 5.18: Curva de calibracin del canal.............................................................

    70

    Figura 5.19: Perfil de socavacin para un muro de E= 5 cm, L= 1,20 m,

    Q= 28,32L/s, S= 1%........................................................................ 73

    Figura 5.20: : Perfil de socavacin para un muro de E= 5 cm, L= 1,20 m,

    Q= 28,32L/s, S= 2%...................................................................... 74

    Figura 5.21: : Perfil de socavacin para un muro de E= 5 cm, L= 1,20 m,

    Q= 28,32L/s, S= 3%...................................................................... 74

    Figura 5.22: Perfil de socavacin para un muro de E= 5 cm, L= 1,20 m,

    Q= 28,32L/s, S= 3,5%................................................................... 75

    Figura 5.23: Curva granulomtrica de la muestra 1 del material del fondo............. 80

    Figura 5.24: Curva granulomtrica de la muestra 2 del material del fondo............. 81

    Figura 6.1: Errores cometidos con la frmula de Lischtvan-Levediev para el

    muro de E= 5 cm.................................................................................. 87

  • xivxiv

    Figura 6.2: Errores cometidos con la frmula de Lischtvan-Levediev para el

    muro de E= 8 cm..................................................................................

    87

    Figura 6.3: Errores cometidos con la frmula de Lischtvan-Levediev para el

    muro de E= 11 cm................................................................................

    88

    Figura 6.4: Profundidad de erosin mxima en un estribo ubicado en el cauce

    principal (Laursen, 1958).......................................................................

    89

    Figura 6.5: Errores cometidos con el mtodo de Laursen para el muro de E=5 cm.

    90

    Figura 6.6: Errores cometidos con el mtodo de Laursen para el muro de E=8 cm.

    91

    Figura 6.7: Errores cometidos con el mtodo de Laursen para el muro de E=11 cm

    91

    Figura 6.8: Errores cometidos con la frmula de Liu para el muro de E=5 cm.......

    93

    Figura 6.9: Errores cometidos con la frmula de Liu para el muro de E=8 cm.......

    94

    Figura 6.10: Errores cometidos con la frmula de Liu para el muro de E=11 cm...

    94

    Figura 6.11: Errores cometidos con la frmula de la ULA para el muro de E=5 cm

    96

    Figura 6.12: Errores cometidos con la frmula de la ULA para el muro de E=8 cm

    97

    Figura 6.13: Errores cometidos con la frmula de la ULA para el muro de E=11cm

    97

    Figura 6.14: Errores cometidos con la frmula de Keller........................................

    100

    Figura 6.15: Errores cometidos con la frmula de Komura.....................................

    102

    Figura 6.16: Errores cometidos con frmula de Lischtvan-Levediev modificada...

    106

    Figura 6.17: Curva de gasto del Ro Milla (Prog 0+126,842).................................

    119

    Figura 6.18: Curva de gasto del Ro Milla (Prog 0+171,372).................................

    120

    Figura 6.19: Muro socavado en el sector San Pedro, Ro Milla..............................

    124

    Figura 6.20: Muro socavado en el sector Los Chorros, Ro Milla...........................

    124

  • xv

    LISTA DE SMBOLOS

    B= Ancho del cauce

    Be= Ancho efectivo del cauce

    C= Ancho del foso de socavacin

    Cc= Coeficiente de contraccin de la Frmula de Lischtvan-Levediev

    d50 D50= Dimetro medio del material de fondo

    d16 D16= dimetro representativo de un material en el que el 16% de los granos tiene

    menor tamao que dicho dimetro.

    d75 D75= dimetro representativo de un material en el que el 75% de los granos tiene

    menor tamao que dicho dimetro.

    d84 D84= dimetro representativo de un material en el que el 75% de los granos tiene

    menor tamao que dicho dimetro.

    E= Espesor del muro longitudinal

    F= Nmero de Froude

    g= aceleracin de gravedad

    Hs= Profundidad final despus del proceso de socavacin.

    Ks= Factor de la Frmula de Kandasamy y Melville

    Kp= Factor de la Frmula de Kandasamy y Melville

    L= Longitud del muro longitudinal o del estribo

    Pk= Coeficiente que considera la presencia de un talud de proteccin alrededor del estribo

    en la Frmula de Artamonov.

  • xvi

    Pq= Coeficiente que depende de la relacin entre el caudal interceptado por el estribo y el

    de diseo en la Frmula de Artamonov.

    P= Coeficiente que toma en cuenta el ngulo de incidencia en la Frmula de Artamonov

    Q o Qd= Caudal de diseo

    Q0= Caudal interceptado por el estribo

    R= Nmero de Reynolds

    S= Pendiente del cauce

    V= Velocidad del flujo

    Yn= Profundidad normal del flujo

    Ym= Profundidad media del flujo

    Ys= Profundidad de socavacin

    '= Parmetro de la Frmula de Lischtvan-Levediev

    p= Diferencia de altura de mercurio entre las dos ramas del piezmetro

    s= Peso especfico del sedimento

    = Viscosidad cinemtica del fluido en estudio

    2= Varianza del modelo

    = Esfuerzo cortante

  • 1

    CAPTULO 1

    INTRODUCCIN

    1.1 INTRODUCCIN

    La socavacin es un fenmeno bastante complejo en el que se aumenta la capacidad erosiva

    del flujo, y por lo tanto, el acarreo de sedimentos y material del fondo y de las mrgenes del

    ro. En dicho proceso intervienen diferentes variables, tanto las referentes a las condiciones

    propias del cauce como las de las estructuras presentes en l, debido a que cualquier obra

    construida y que resulte obstruccin para el flujo, representa un factor que incrementa la

    socavacin.

    Los muros longitudinales son obras de comn construccin en los mrgenes de los ros para

    evitar inundaciones y proteger los laterales contra la erosin. Una de las principales causas

    de falla de los muros es la socavacin, puesto que suelen estar fundados a profundidades

    inferiores a la profundidad de socavacin. Cuando esto sucede, las fundaciones quedan

    expuestas y no hay suficiente soporte para mantener en pie la estructura.

    Actualmente no existen frmulas que permitan estimar la profundidad de socavacin en

    muros longitudinales, lo cual representa una limitante al momento del diseo de los

    mismos. Para solucionar el problema, se suele emplear la frmula para calcular la

    socavacin general y transversal del cauce o las frmulas para socavacin de estribos, ya

  • 2

    que la forma de los muros y los estribos es bastante parecida. No obstante, se carecen de

    estudios que permitan comprobar el buen funcionamiento de dichas frmulas al ser

    aplicadas en la estimacin de la socavacin en muros.

    Por estas razones, en esta investigacin se busca hacer un estudio detallado del fenmeno

    de socavacin en muros longitudinales, de tal manera de poder desarrollar una frmula que

    se adapte a este tipo de estructuras y que tome en cuenta los diferentes parmetros que la

    afectan. Para ello se construy un modelo de laboratorio que permiti monitorear el proceso

    de socavacin bajo condiciones controladas, y en el que se variaron los factores que ms

    afectan a la socavacin, como lo son el caudal, la pendiente, el espesor y la longitud del

    muro. La granulometra del material de fondo se mantuvo constante por restricciones de

    tiempo, sin embargo, para hacer un estudio ms detallado del proceso, el tamao del

    sedimento tambin debera ser una de las variables en estudio.

    De igual forma, con esta investigacin se pretende hacer una verificacin y comparacin

    para conocer el margen de error que se produce al utilizar las frmulas de estribos y de

    socavacin general y transversal, para estimar la socavacin en muros. Una vez realizada

    esta comparacin, se podr saber cul es la ecuacin ms ajustada a la realidad.

    Por otra parte, se intent determinar el lugar donde se produce la mxima profundidad de

    socavacin en un muro longitudinal, ya que as se puede conocer la zona a ser reforzada

    para evitar colapsos inesperados de la estructura.

  • 3

    1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

    La construccin de muros longitudinales es muy frecuente en las mrgenes de los ros para

    evitar inundaciones en las zonas cercanas a los mismos. Se sabe que una de las principales

    causas de su colapso es la socavacin a lo largo del muro. Por tal razn, es de mucha

    utilidad definir el tipo y la magnitud de la socavacin que genera el ro en las fundaciones

    del muro, para as poder proteger dichas estructuras contra estos efectos.

    En la actualidad existen frmulas para la determinacin de la socavacin general y

    transversal, en estribos y pilas de puentes, as como tambin aguas abajo de las represas,

    pero no para muros longitudinales. Por lo tanto, el desarrollo de una frmula para definir la

    socavacin en este tipo de estructuras de proteccin permitira cuantificar su magnitud sin

    realizar tantas evaluaciones en campo, sino slo midiendo algunos parmetros del cauce.

    Adems, con este estudio se podra conocer el error que se comete al aplicar las frmulas

    existentes para estribos de puentes en el clculo de la socavacin en muros longitudinales.

  • 4

    1.3 OBJETIVO GENERAL

    Realizar un estudio, mediante modelo fsico, del problema de la socavacin al pie de muros

    longitudinales en ros de montaa.

    1.4 OBJETIVOS ESPECFICOS

    Desarrollar una frmula que permita determinar la socavacin en muros longitudinales.

    Comparar los resultados experimentales obtenidos con los resultados que arrojan las

    frmulas para estribos ya existentes.

    1.5 HIPTESIS

    En el trabajo propuesto, se parte de las siguientes hiptesis:

    Los factores que influyen en la socavacin al pie de muros longitudinales son la

    pendiente del ro, el caudal, el ancho libre, el tamao de los sedimentos y las

    dimensiones del muro.

    El muro longitudinal puede ser considerado como un estribo de grandes dimensiones

    para la determinacin de la socavacin transversal y local.

    La profundidad mxima de socavacin se produce en el extremo de aguas arriba del

    muro.

  • 5

    CAPTULO 2

    CONSIDERACIONES TERICAS

    2.1 Muros longitudinales

    Los muros longitudinales (Figura 2.1) son obras de proteccin contra la erosin en los ros,

    las cuales se apoyan directamente en las mrgenes de los mismos para evitar que la

    corriente est en contacto directo con el material de las orillas que intentan proteger. Los

    muros pueden ser construidos con diversos materiales como losas de concreto, gaviones,

    enrocado, elementos prefabricados en concreto, arcilla, suelo-cemento, etc. De estos

    materiales suelen preferirse los que permiten construir protecciones flexibles, pues ellas se

    adaptan mejor a los posibles asentamientos y a las orillas irregulares; y adems, las

    protecciones rgidas como las losas de concreto requieren de una colocacin ms cuidadosa

    y es imprescindible compactar adecuadamente el terreno antes de construirlas.

    Figura 2.1: Muro longitudinal en ro

  • 6

    Las causas ms comunes de falla en los muros son: mala cimentacin, volcamiento,

    deslizamiento y destruccin del pie del talud. Segn Flrez y Aguirre (2006), para proteger

    el pie del talud se puede utilizar alguno de estos dos procedimientos:

    1. Cuando la construccin se lleva a cabo en seco, el muro se puede apoyar en una zanja

    de 1 m a 2 m de profundidad rellena con gaviones o rocas. Tambin se puede hincar un

    tablestacado que impida el deslizamiento del muro cuando el fondo descienda durante

    la avenida.

    2. Construir un tapete de enrocado con ancho igual al tirante (no menor a 2 m) y espesor

    de 40 a 70 cm., para que al descender el nivel del cauce durante la crecida, el tapete se

    acomode sobre el fondo socavado evitando que se deslice la capa protectora del muro.

    Los muros longitudinales deben ser evaluados cada cierto perodo de tiempo, especialmente

    despus de las crecidas, para recuperar cualquier zona de la proteccin que se haya

    socavado, y as evitar que la estructura falle por completo.

    2.2 Socavacin

    La socavacin es un proceso que resulta de la accin erosiva del flujo de agua que arranca

    y acarrea material de lecho y de las mrgenes de un cauce, haciendo que disminuya el nivel

    del ro por el incremento de su capacidad de arrastre de sedimentos. Este proceso se da

    cuando una corriente de agua encuentra un obstculo, originndose un desequilibrio entre la

    cantidad de sedimentos aportados a una seccin y la capacidad de transportar sedimentos

  • 7

    fuera de ella, por lo cual, se modifican las condiciones de escurrimiento y se cambia la

    capacidad de arrastre en los alrededores de la obstruccin.

    La socavacin no prevista es una de las causas ms comunes de falla en puentes y de las

    estructuras de proteccin en ros (Figuras. 2.2 y 2.3).

    Figura 2.2: Colapso de puente por socavacin

    Figura 2.3: Socavacin en el Sector Onia, Estado Mrida

  • 8

    El fenmeno de socavacin se relaciona con dos de los problemas ms complejos de la

    hidrulica, como son la mecnica de transporte de sedimentos y la capa lmite

    tridimensional. Segn Einstein (Aguirre, 1980), la mecnica del transporte de sedimentos

    involucra las caractersticas presentes en el lugar en el que se est estudiando la socavacin,

    ya que es un fenmeno en el cual se produce arrastre de partculas de diferentes

    propiedades; es un proceso mecnico complejo, pues distintas variables determinan la

    cantidad de sedimentos que puede acarrear una corriente. Hay modelos que permiten el

    clculo del transporte de los materiales del lecho, tanto por el fondo como en suspensin

    por separado. Otros mtodos no toman en cuenta tal discriminacin y determinan el

    transporte total de los materiales del lecho sin dividirlo en dos categoras, sino que lo toman

    como un todo (Maza y Garca, 1992). Ninguno de esos mtodos es universal, pues todos

    han sido derivados para ciertas condiciones y caractersticas de flujo y de los sedimentos .

    La capa lmite tridimensional tiene parte de su fundamento en las ecuaciones que gobiernan

    el flujo isotrmico y estacionario de un fluido newtoniano, despreciando los efectos

    gravitatorios y de compresibilidad; estas expresiones son las denominadas ecuaciones de

    Navier-Stokes, las cuales incluyen las ecuaciones de continuidad y de cantidad de

    movimiento

    Adems, las grandes diferencias existentes entre los diferentes ros y la variacin en el

    tiempo de los factores dominantes en el proceso, hacen que la socavacin sea un fenmeno

    inestable difcil de estudiar experimental o analticamente, ya que modificaciones en el

    patrn de fluyo producen modificaciones en la capacidad de transporte de sedimentos. Y

    por tal razn, se inducen alteraciones en el lecho que hacen variar de nuevo el patrn de

    flujo antes de haberse logrado el equilibrio. Es por esto, que en los estudios de socavacin

  • 9

    es necesario combinar los anlisis tericos con la informacin de campo y sobre todo con

    resultados de modelos fsicos.

    Usualmente, en la socavacin que se produce al pie de un obstculo se superponen los

    efectos relacionados con el rgimen del ro y los que producen la obstruccin por s misma.

    2.3 Factores que influyen en la socavacin

    Los factores que influyen en la socavacin pueden ser divididos en dos grandes grupos: las

    caractersticas del cauce (geomorfolga, topografa y caractersticas del sedimento) y las del

    flujo (rgimen de flujo y caractersticas del fluido).

    2.3.1 La geomorfologa:

    La geomorfologa es la ciencia que estudia el cambio de la forma de la superficie

    terrestre a travs del tiempo. Un ro puede cambiar su profundidad, ancho, el curso y el

    rgimen en forma temporal o progresiva. Cualquier efecto de contraccin por presencia

    de obstculos o la existencia de curvas alteran la morfologa del cauce, produciendo un

    efecto de socavacin.

    Aunque los fenmenos de erosin pueden ocurrir naturalmente, tambin las actividades

    del hombre, tales como la explotacin de la corriente, construccin de represas y

    estructuras, o las alteraciones del canal originan cambios importantes, alterando as el

    equilibrio natural del lecho. Todos los ros aluviales tienen gran posibilidad de cambios

  • 10

    de pendiente por la degradacin o la sedimentacin y normalmente se reacomodan a su

    condicin normal estable.

    Dependiendo del patrn del canal, el cauce en un tramo o seccin dado puede ser

    definido o indefinido. El canal se entiende es la franja por donde corre el ro en un

    momento determinado.

    Cauce definido: cuando la corriente de estiaje fluye por un solo canal con lmites bien

    demarcados. (Figura 2.4)

    Cauce indefinido: cuando la corriente va por pequeos cauces o brazos que se

    entrecruzan en una misma seccin transversal. (Figura 2.4)

    Figura 2.4: Cauce definido y cauce indefinido

    2.3.2 Granulometra:

    La curva granulomtrica del material del lecho es fundamental en la determinacin de

    los dimetros caractersticos de las partculas, ya que permiten establecer si se va ha

  • 11

    utilizar un solo dimetro como representativo para calcular la tasa de transporte de

    sedimentos o si se deben emplear intervalos de clase.

    El material de fondo no es uniforme, por lo cual el sedimento puede presentar una gran

    variedad de dimetros, sobre todo en el caso de los ros de montaa, en los que hay

    presencia de cantos rodados y piedras de gran tamao mezclados con material arenoso,

    por lo cual se dificulta estimar el radio hidrulico.

    En un ro en pie de monte o de llanura se suele tener un tamao de sedimento que es

    prcticamente uniforme y es aceptable utilizar un solo dimetro especfico. Cuando esto

    no es posible, hay varios criterios para tomar la decisin sobre el dimetro ms

    representativo.

    2.3.3 Dimetro de Sedimentacin:

    El dimetro de sedimentacin es el de una esfera con la misma densidad de la partcula

    que cae, la misma velocidad terminal uniforme, en el mismo fluido y a la misma

    temperatura.

    2.3.4 Forma de las Partculas:

    La forma es una caracterstica no muy importante para el fenmeno de la socavacin,

    pero junto con el tamao, define alguna de sus propiedades fsicas. La forma se puede

    determinar a travs de la redondez, la esfericidad y el factor de forma.

  • 12

    La redondez es la relacin entre el radio medio de curvatura de las aristas de la partcula

    y el radio de la circunferencia inscrita en el permetro de rea mxima de proyeccin de

    la partcula.

    La esfericidad es la relacin entre el rea superficial de una esfera de volumen

    equivalente y el rea superficial de la partcula real. Una forma para estimar el rea

    superficial de la partcula consiste en sumergirla en parafina lquida, la cual se adhiere a

    la superficie, con un espesor aproximadamente constante. Establecido el peso de la

    parafina adherida a la partcula y el espesor de la pelcula se puede determinar el rea

    de aqulla.

    2.3.5 Peso Especfico:

    El peso especfico relativo de un cuerpo es la razn entre su peso y el de un volumen

    igual de agua destilada a la temperatura de 4 C. El peso especfico absoluto es la

    relacin entre peso y volumen.

    El cuarzo es el mineral ms comn en la composicin de los sedimentos transportados

    por el viento o el agua, aunque otros muchos minerales tambin forman parte de su

    composicin. Es por esta razn que el peso especfico relativo de las arenas es muy

    prximo al del cuarzo (2650 kg/m3) y ste es el valor que ms frecuentemente se

    emplea.

  • 13

    2.3.6 Geometra del Cauce:

    La geometra del cauce est representada por la pendiente longitudinal y por las

    caractersticas de la seccin transversal.

    Pendiente longitudinal: es uno de los factores ms importantes que inciden en la

    capacidad que tiene el cauce para transportar sedimentos, pues afecta directamente la

    velocidad del agua. En los tramos de pendiente fuerte, donde las pendientes son

    superiores al 3 %, las velocidades de flujo son tan altas que pueden mover como

    carga de fondo sedimentos de dimetros mayores a 5 cm, adems de los slidos que

    ruedan por desequilibrio gracias al efecto de lubricacin producido por el agua.

    En cauces naturales la pendiente longitudinal se mide a lo largo de la lnea del agua,

    y no del fondo, debido a la inestabilidad e irregularidades del fondo. En los perodos

    que tienen un caudal ms o menos estable es posible relacionar las pendientes con los

    caudales utilizando registros de aforos.

    Seccin transversal: en los cauces naturales las secciones transversales son

    irregulares y la medicin de sus caractersticas geomtricas se realiza con

    levantamientos topogrficos. La lnea que une los puntos ms profundos de las

    secciones transversales a lo largo de la corriente se denomina thalweg. En las

    corrientes de lecho aluvial se observan continuas variaciones en las secciones

    transversales y en la lnea del thalweg. Las magnitudes y frecuencias de estas

    variaciones dependen del rgimen de caudales, de la capacidad de transporte de

    sedimentos, y del grado de estabilidad del cauce.

  • 14

    2.3.7 Rgimen de flujo:

    El rgimen de flujo en un tramo particular de una corriente natural se clasifica en

    funcin del Nmero de Froude, el cual es una relacin adimensional entre fuerzas de

    inercia y de gravedad. En el rgimen supercrtico (F > 1) el flujo es de alta velocidad,

    propio de cauces de gran pendiente o ros de montaa. El flujo subcrtico (F < 1)

    corresponde a un rgimen de llanura con baja velocidad. El flujo crtico (F = 1) es un

    estado terico en corrientes naturales y representa el punto de transicin entre los

    regmenes subcrtico y supercrtico.

    2.3.8 Viscosidad del agua:

    La viscosidad del agua representa un factor importante en el estudio de los cauces

    naturales. Esta viscosidad depende principalmente de la concentracin de la carga de

    sedimentos en suspensin, y en menor escala de la temperatura. En cauces limpios, o

    sea aqullos en los que la concentracin de sedimentos es menor del 10% en volumen,

    el agua se puede considerar como de baja viscosidad (1 centipoise). En el caso extremo,

    cuando se conforman flujos de lodo, donde la proporcin volumtrica entre el

    sedimento y el lquido sobrepasa el 80%, la viscosidad es alta (4000 poises).

    Las frmulas empricas de flujo en corrientes naturales se han desarrollado para

    corrientes de agua limpia, por lo tanto, las velocidades que se calculan con estas

    frmulas resultan ms altas que las velocidades reales cuando se aplican a flujos

    viscosos.

  • 15

    2.4 Causas de la Socavacin

    El fenmeno de socavacin es producido por diferentes causas que influyen en el cambio

    del nivel del lecho de un ro, ya que el movimiento de las partculas de fondo puede variar

    dependiendo del tipo de material presente, de la capacidad de transporte de sedimentos del

    ro o del cambio de ste por el incremento de caudales o por el cambio de pendiente y de la

    geologa del lugar.

    Una de las principales causas de socavacin es la tendencia que tiene cualquier cauce

    natural de buscar su estabilidad para todas sus condiciones (profundidad, ancho, pendiente);

    lo cual es muy frecuente en ros en los cuales se han realizado obras de encauzamiento

    como el corte de meandros, o en los que se han colocado obstculos en la seccin del ro

    como estribos, pilas, muros, etc. Este ltimo caso, es el de mayor importancia para esta

    investigacin.

    2.5 Consecuencias de la socavacin

    El deterioro, falla, e incluso colapso de muchas obras civiles se debe principalmente a la

    erosin o socavacin alrededor de los elementos estructurales o en las mrgenes de ros;

    esto ltimo genera problemas de inestabilidad por los cambios de las condiciones del ro

    (velocidad, caudales, sedimentos, entre otros). A su vez, estos daos involucran prdidas

    econmicas ya sea por la importancia de la obra afectada o por la inversin que se debe

    realizar en el diseo de una solucin para la proteccin de dicha obra. Cuando ocurren

    variaciones en una seccin transversal se presenta un deterioro en el ecosistema adyacente

    a la zona donde se da el fenmeno.

  • 16

    Cuando se producen fallas en el sistema de fundaciones de las estructuras ubicadas a los

    mrgenes de los ros, no slo se generan prdidas econmicas y materiales, sino que en

    algunos casos se pueden dar prdidas de vidas humanas.

    Otras consecuencias de la socavacin son el origen de fallas de borde en una va (Figura

    2.5), falla de un talud, entre otros.

    Figura 2.5: Colapso de un muro de tierra armada por socavacin en

    la autopista Rafael Caldera del Estado Mrida

    2.6 Formas de Socavacin

    Dependiendo de si existe o no movimiento de sedimentos en el cauce, se pueden presentar

    dos formas:

    2.6.1 Socavacin en lecho mvil:

    Se presenta cuando hay transporte de sedimentos desde el lecho aguas arriba hasta el

    sitio donde se encuentra la estructura en cuyas cercanas se produce socavacin,

    quedando, por lo tanto, parte de este sedimento atrapado en el hueco de socavacin.

  • 17

    2.6.2 Socavacin en agua clara:

    Se presenta cuando no hay transporte de sedimentos desde el lecho aguas arriba hacia el

    sitio de la estructura, por lo cual no hay nuevo suministro de sedimentos para la zona de

    socavacin. La mayora de las ecuaciones utilizadas en el clculo de socavacin estn

    definidas para cuando el fenmeno se produce en agua clara.

    2.7 Tipos de socavacin

    Se pueden presentar distintas clases de erosin que conjuntamente determinan la

    profundidad mxima a la que descender el fondo del cauce; esos tipos de socavacin son:

    2.7.1 Socavacin general del cauce:

    La socavacin general es el descenso del nivel del fondo de un ro a lo largo de todo su

    cauce. Se produce al presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad

    de arrastre de material slido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de su

    mayor velocidad. Para mantener el equilibrio, cuando se aumenta la capacidad de

    arrastre del ro, el mismo toma material del fondo, lo que produce la erosin. Al

    disminuir el caudal una vez finalizada la crecida, disminuye tambin la capacidad de

    arrastre y los sedimentos vuelven a ser depositados, por ende, el fondo vuelve a su nivel

    original, excepto en los lugares donde el cauce ha cambiado de lugar. La socavacin

    general del cauce se produce independientemente de la presencia de cualquier

    estructura en l.

  • 18

    2.7.2 Socavacin transversal en estrechamientos:

    La socavacin transversal en estrechamientos es la que se produce por el aumento en la

    capacidad de arrastre de slidos que adquiere una corriente cuando su velocidad

    aumenta por efecto de una reduccin del rea hidrulica en su cauce. El efecto es muy

    importante en puentes, donde por lo comn suelen ocurrir las mencionadas reducciones;

    tambin puede presentarse en otros lugares del curso del ro, donde la presencia de

    estructuras implique un estrechamiento ms o menos brusco. Los cambios que produce

    la existencia de una estructura en el cauce son principalmente los siguientes:

    1. Cambio de la velocidad del flujo del agua en el cauce principal.

    2. Cambio en la pendiente de la superficie libre del agua, hacia arriba y hacia abajo de

    la estructura. Esto origina un mayor arrastre del material del fondo en la seccin del

    cauce, y cuando ello es posible, un ensanchamiento del cauce.

    La socavacin general y la transversal generalmente se calculan simultneamente ya que

    se producen al mismo tiempo. El mtodo ms empleado para su determinacin es el de

    Lichtvan-Levediev.

    2.7.3 Socavacin en el lado exterior de las curvas:

    Cuando un ro describe una curva existe una tendencia en la corriente situada ms lejos

    del centro de curvatura a caminar ms aprisa que la situada ms hacia el interior; como

    consecuencia, la capacidad de arrastre de slidos y la profundidad de erosin es mayor

    en la parte del cauce exterior a la curva; y por lo tanto, el material se arrastra hacia la

  • 19

    parte interior de la misma. El efecto es importante y debe ser tomado en cuenta en la

    construccin de puentes y obras de proteccin en las curvas de ros, pues al disminuir la

    velocidad aumenta el depsito en la zona y, por ello, disminuye la zona til para el flujo

    del agua; y por otro lado, al aumentarse la profundidad y el rea hidrulica, aumenta el

    gasto.

    2.7.4 Socavacin local

    La presencia de la estructura constituye un obstculo que provoca la desviacin de las

    lneas de corriente, lo que a su vez origina un sistema de vrtices de alta velocidad que

    genera una marcada erosin en la parte frontal del obstculo.

    Desde el punto de vista prctico, la socavacin local es la de mayor inters, pues sta es

    la que se da en las vecindades de las estructuras insertas en el cauce y, por lo tanto, es la

    que causa mayores daos a dichas estructuras.

    Dentro de las estructuras sometidas a erosin, las de mayor inters son las pilas y los

    estribos de los puentes, ya que los errores en la estimacin de la magnitud, puede llevar a

    la destruccin parcial o total de la estructura; o en el caso contrario, lleva a adoptar

    profundidades excesivas de fundacin que resultan muy costosas y complican el proceso

    constructivo.

  • 20

    Para cuantificar la socavacin, se han empleado algunas soluciones tericas, aunque

    resultan bastante complicadas, puesto que los patrones de escurrimiento son difciles de

    evaluar y tambin la interaccin entre los sedimentos y las propiedades del flujo.

    Para el estudio de la socavacin local se suelen aislar algunas variables que se consideran

    determinantes para el fenmeno, y luego se intenta caracterizarlo a travs de expresiones

    empricas. La exactitud de los resultados que se obtienen de esta forma no es la mejor,

    pero en cualquier caso no resulta econmico prevenir toda la erosin que pudiera

    presentarse en las estructuras hidrulicas, as que se debe aceptar y predecir alguna

    socavacin.

    Algunos investigadores han intentado establecer las ecuaciones diferenciales que rigen la

    socavacin local en situaciones particulares, como es el caso del escurrimiento

    bidimensional, en el cual, la socavacin se puede estudiar por medio de las ecuaciones de

    la dinmica de los fluidos y de la continuidad, relativas a la fase slida y lquida del

    escurrimiento.

    La ecuacin dinmica del escurrimiento de caudales lquidos es la siguiente:

    1

    Donde h = h(x,t) es la profundidad de escurrimiento en funcin de la distancia, x, y del

    tiempo, t, z es el nivel de fondo, z x

    es la inclinacin del fondo, V es la velocidad media

  • 21

    de escurrimiento, g es la aceleracin de gravedad, es un coeficiente de correccin de la

    velocidad media e I es la prdida de carga que, en escurrimientos con inters prctico, es

    aproximadamente igual a la inclinacin de la lnea de energa.

    La ecuacin de continuidad, puede ser escrita de la siguiente forma, tomando la forma

    clsica de Saint- Venant:

    Donde, B es el ancho del escurrimiento y Q es el caudal total.

    La ecuacin de escurrimiento del caudal slido relaciona el transporte con los parmetros

    de escurrimiento y del material de fondo. En el caso de escurrimiento uniforme y

    transporte generalizado, puede ser expresado por la siguiente relacin:

    Donde s es el peso especfico relativo de los slidos, s es el peso especfico del

    sedimento, d es el dimetro caracterstico del material del fondo, qs es el caudal unitario

    slido y es un coeficiente que traduce la influencia relativa de la forma y de la

    rugosidad del material del fondo:

  • 22

    El numerador de la fraccin anterior representa el coeficiente de Chzy global, el

    denominador es un coeficiente de Chzy relacionado con la rugosidad y ks es la

    rugosidad de Nikuradse considerada para el d90.

    Si se usa la ecuacin de Meyer-Peter y Mller, la expresin de escurrimiento uniforme y

    transporte generalizado es la siguiente:

    Y la ecuacin de continuidad relativa al caudal slido puede escribirse como:

    Donde es la porosidad del material.

    Casi todos los estudios analticos de socavacin, han estudiado el fenmeno bajo

    condiciones muy particulares, aceptando hiptesis simplificadoras que comprometen la

    veracidad de los resultados obtenidos. Por tal razn, muchas de las predicciones de la

    socavacin se basan en resultados experimentales

    2.7.4.1 Influencia del transporte de sedimentos en la socavacin local

    Los lechos de los ros estn formados por material de diversos tamaos, que en

    condiciones generales permanece en reposo, pero durante las crecidas, cuando el

  • 23

    caudal sobrepasa el valor crtico para el comienzo del transporte de sedimentos, las

    partculas del fondo son removidas por el flujo y el caudal slido crece conjuntamente

    con el lquido.

    El material extrado se puede mover por el fondo o puede incorporarse a la masa

    lquida, ocurriendo as transporte en suspensin. Ambos tipos de transporte se dan

    simultneamente, pero en distintas proporciones, pues mientras mayor sea el caudal y

    menor el tamao de las partculas, mayor grande ser el caudal en suspensin; en

    cambio si el material es muy grueso, y las condiciones estn prximas a las de

    iniciacin del movimiento, casi todo el transporte ser por el fondo. Al momento de

    estudiar la socavacin, es muy importante conocer si el escurrimiento ocurre con o sin

    transporte de sedimentos.

    Como ejemplo se puede tomar un estribo colocado a la margen de un escurrimiento de

    fondo mvil y considerar lo que ocurre cuando la velocidad aumenta progresivamente

    y se mantiene constante la velocidad. Para valores muy bajos de la velocidad no se

    observa socavacin al pie del estribo; a partir de cierto valor de la velocidad, comienza

    a presentarse la socavacin a la cabecera del obstculo, an cuando no existe

    transporte generalizado. Para velocidades mayores, cuando se supera la velocidad

    crtica para el arrastre de material, comienza a existir transporte generalizado y puede

    observarse como evoluciona el proceso de socavacin.

    Para una velocidad determinada, la socavacin crece de manera progresiva durante

    cierto tiempo, hasta que se alcanza el estado de equilibrio. La evolucin de la

  • 24

    socavacin y la forma como se alcanza el equilibrio en escurrimientos sin transporte

    slido es diferente a la manera en que se alcanza cuando hay transporte generalizado.

    En escurrimientos sin transporte de sedimentos, a medida que aumenta la socavacin

    disminuyen las velocidades y las tensiones tangenciales hasta alcanzar valores que son

    insuficientes para arrastrar material, alcanzndose as cierto equilibrio. Los efectos de

    la socavacin sern mayores mientras ms grande sea la velocidad del escurrimiento,

    para un dimetro medio de las partculas del fondo, es decir, mientras menores sean las

    partculas del fondo, para una velocidad de escurrimiento determinada.

    En los escurrimientos con transporte generalizado de sedimentos se produce,

    simultneamente, transporte de material fuera del foso de socavacin y hacia dentro

    del foso, desde el inicio de la socavacin. Al principio, la cantidad de material que sale

    es superior a la que entra, pero a partir de cierto momento se establece el equilibrio

    entre la cantidad de material slido que entra al foso y la que sale.

    Usualmente, el equilibrio se alcanza con ms rapidez en el escurrimiento con

    transporte generalizado que en los escurrimientos sin transporte de material. En la

    socavacin sin transporte se alcanza un equilibrio esttico, mientras que en la

    socavacin con transporte se alcanza un equilibrio dinmico, en el cual el valor de la

    socavacin no se mantiene fijo sino que oscila dentro de un rango a lo largo del

    tiempo. Estas oscilaciones se producen por la irregularidad con la que se produce el

    aporte de material al foso, y son mayores si el fondo est formado por rizos o dunas

    que si el fondo es plano.

  • 25

    En la socavacin con transporte de sedimentos, las ms importantes son las producidas

    por las contracciones del escurrimiento o por la insercin de estructuras en el cauce,

    que no implican una obstruccin total del escurrimiento y por lo tanto no impiden el

    paso del material slido transportado. En estas estructuras tambin puede ocurrir

    socavacin sin transporte cuando las velocidades son inferiores a la crtica, lo cual es

    significativo si las estructuras se encuentran situadas en el lecho mayor del ro, donde

    las velocidades suelen ser muy pequeas.

    2.7.4.2 Principios generales que caracterizan la socavacin local

    Segn Laursen (1956) existen cuatro principios que caracterizan a la socavacin local,

    los cuales son:

    1. La tasa de socavacin es igual a la diferencia entre la capacidad de transportar

    material fuera del foso de socavacin y la tasa de aporte de sedimentos al foso.

    2. La tasa de socavacin disminuye a medida que la seccin del escurrimiento va

    aumentando.

    3. La socavacin siempre tiene un lmite para determinadas condiciones iniciales.

    4. El lmite de la socavacin se alcanza asintticamente, con el tiempo.

    2.7.4.3 Socavacin local en pilas

    Las variables que influyen en la socavacin local se pueden agrupar de la siguiente

    manera:

  • 26

    1. Variables que definen las caractersticas del flujo: la profundidad normal yn, la

    velocidad media de la corriente V, y el ngulo de incidencia .

    2. Caractersticas del material de fondo: el dimetro de los granos d, el peso

    especfico s, la desviacin tpica de la curva granulomtrica , y la forma de las

    partculas.

    3. Caractersticas de la pila: el ancho b, la relacin largo-ancho L/b, la forma de la

    pila o de sus fundaciones.

    4. Parmetros que definen el fluido: peso especfico del agua , viscosidad cinemtica

    , y la aceleracin de gravedad g.

    5. La profundidad de la socavacin local influye como variable dependiente.

    6. Algunos autores tambin toman como parmetros la relacin entre las condiciones

    vigentes del flujo y las necesarias para la iniciacin del transporte de sedimentos.

    Como son tantas las variables que inciden en la socavacin local, la mayor parte de los

    mtodos slo relacionan dos o tres parmetros para as facilitar su clculo.

    Figura 2.6: Socavacin en pilas de puentes

  • 27

    En la determinacin de la socavacin local en pilas (Figura 2.6) existen gran cantidad

    de frmulas, a continuacin se mencionan las de mayor utilidad prctica:

    Mtodo de Laursen y Toch

    Mtodo de Maza y Snchez

    Frmula de Larras

    Mtodo de Carstens

    Mtodo de Yaroslavtziev

    Socavacin local en ros de montaa: Jain y Fisher, trabajos desarrollados en

    el Laboratorio de Hidrulica de la Universidad de Los Andes.

    2.7.4.4 Socavacin local en estribos

    La socavacin local en estribos es similar a la que se produce en las pilas, siendo las

    variables que influyen prcticamente las mismas que se tomaron en cuenta en la

    socavacin local en pilas; pero adems, hay que agregar a esos parmetros la

    ubicacin de los estribos, concretamente si estn en cauce principal o de avenidas.

    Sin embargo, el escurrimiento que se presenta en la vecindad de un estribo suele ser

    ms complejo que el existente alrededor de una pila, pues hay que considerar la capa

    lmite que se desarrolla junto a la margen y la influencia que ejerce a su vez el

    obstculo sobre esa capa lmite.

    Aguas arriba del estribo se presenta una sobreelvacin de la superficie que es el

    resultado de la transformacin parcial de la energa cintica del escurrimiento en

  • 28

    energa potencial. Esta elevacin de la superficie depende de la velocidad del

    escurrimiento y de las dimensiones del obstculo, puede ser determinada con la teora

    de escurrimientos potenciales.

    En el caso de estribos, los gradientes verticales de velocidades de escurrimiento dan

    origen a escurrimientos secundarios que intervienen en la socavacin local. El

    gradiente de presiones inducido por el estribo provoca la separacin de la capa lmite

    junto al fondo, apareciendo un vrtice que suele llamarse vrtice principal.

    En el escurrimiento no perturbado, aguas arriba del estribo, las lneas de vorticidad son

    paralelas al fondo y perpendiculares a la direccin del escurrimiento. La concentracin

    de lneas de vrtice junto al obstculo da origen a la formacin del vrtice principal

    que bordea al estribo y se deforma aguas abajo. Adems, junto al borde vertical del

    estribo ocurre una nueva separacin del escurrimiento que origina la formacin de una

    estela de vrtices.

    Las razones que determinan la separacin de la capa lmite junto al estribo tambin

    hace que se separe la capa lmite junto a la margen, formndose un vrtice cuyo eje en

    las proximidades de la superficie es vertical, luego se va inclinando y termina

    unindose al vrtice resultante de la capa lmite del fondo.

    La socavacin en las cercanas del estribo es producto de la accin combinada de la

    estela de vrtices y del vrtice principal; este ltimo es el que produce el

    desprendimiento de material del fondo que es arrastrado hacia aguas abajo. La estela

  • 29

    de vrtices ayuda en el transporte de material, generando un efecto de succin que

    provoca la proyeccin de material que luego es transportado hacia aguas abajo.

    A medida que se va formando el foso de socavacin, el material de las paredes se va

    derrumbando hacia la zona ms profunda de la cavidad, donde va a estar sujeto a la

    accin del vrtice principal. Cuando existe transporte generalizado, el acorazamiento

    que se da dentro del foso es producto del lavado del material que existe en esa zona y

    de la deposicin de partculas provenientes del transporte de material desde aguas

    arriba, ya que hay una parte del material que por su dimetro no puede ser removido

    por la accin del vrtice principal.

    Cuando existe transporte generalizado de sedimentos, a medida que se aumenta la

    pendiente del canal y la profundidad del escurrimiento, aguas abajo se forma una

    extensa cortina de vrtices que contribuyen a la erosin que se presenta al pie del

    estribo y al transporte de partculas que son depositadas aguas abajo del estribo.

    Con el paso del tiempo, se observa un progresivo derrumbe de las paredes del foso y

    en las cercanas de los estribos, las lneas de flujo comienzan a desviarse. Aguas arriba

    del estribo se observa una sobreelevacin del flujo existente como consecuencia de

    cambio parcial de energa que provoca la presencia del obstculo. Cuando las lneas de

    flujo chocan con el estribo, se generan pequeas franjas aguas arriba y aparece un

    flujo que revierte en sentido contrario a la direccin de escurrimiento. Este

    movimiento envolvente del flujo genera junto a la margen una especie de foco de

    vorticidad que constituye la zona de la superficie donde nace el vrtice principal.

  • 30

    El flujo existente entre la cara aguas arriba del obstculo y el centro del foco vortical,

    y justo en la arista de unin entre la cara frontal y la cara lateral del estribo, se produce

    una lnea inclinada de separacin ms o menos paralela a la lnea de flujo que sale del

    centro del foco vortical. En la unin entre el flujo de reborde y la lnea de separacin

    se origina el vrtice frontal que es el responsable de la expulsin de partculas hacia

    aguas abajo.

    Las partculas removidas aguas arriba, por la accin del vrtice principal cruzan frente

    al estribo, siguiendo la trayectoria de dicho vrtice. Al entrar en la lnea de separacin

    que se genera aguas abajo del estribo, son sometidas a la accin de estelas de vrtices,

    la cual, conjuntamente con los vestigios del vrtice principal, se encarga de proyectar

    las partculas hacia la margen aguas abajo del estribo. Una vez expulsadas las

    partculas, entran dentro de un centro de proyeccin de partculas ubicado aguas abajo,

    cercano al estribo. Cuando las partculas son expulsadas con mucha fuerza, caen ms

    all del centro de proyeccin y el flujo las arrastra aguas abajo donde pueden formar

    un montculo o ser arrastradas por el transporte generalizado. Cuando las partculas

    son expulsadas con poca fuerza, caen en una zona entre el centro de proyeccin y la

    cara lateral aguas abajo del estribo, all son proyectadas verticalmente y al caer se

    deslizan por las paredes del foso, donde son extradas de nuevo por la accin de la

    vorticidad y vuelven a ser proyectadas para continuar con un proceso cclico.

    Cuando se tienen pendientes bajas (entre 0,25 % y 0,5 %) y caudales pequeos, el

    vrtice aguas arriba del estribo pierde intensidad y por momentos tiende a desaparecer.

  • 31

    En estos casos no hay recirculacin del material dentro del foso, aguas arriba del

    estribo; y aguas abajo, se presenta una pequea deposicin de partculas, pero no se

    observa la proyeccin de partculas acostumbrada para pendientes mayores por efecto

    de la vorticidad. Las lneas de flujo aguas abajo de los estribos convergen al centro del

    canal y se cruzan.

    Cuando se tienen pendientes bajas, pero el caudal que circula es superior a 20 lts/seg,

    se presenta un vrtice principal de gran intensidad que gira rpidamente, el cual por

    momentos puede separarse en una cortina de vorticidad que gira a menor velocidad,

    para luego volver a unificarse y recobrar su intensidad inicial. Aguas abajo se produce

    una socavacin considerable junto a la margen y se puede encontrar deposicin de

    material.

    Con pendientes de ms del 1% y caudales de 15 lts/seg, el flujo se separa de los

    estribos y se cruza aguas abajo de stos. La difusin de la vorticidad en la cercana del

    fondo genera la aparicin de una cortina de vrtices que pone en movimiento el

    material del lecho, y una parte de este material se mueve de forma cclica.

    Los mtodos ms empleados para el clculo de la socavacin local en estribos son los

    de Artamonov, Liu, Laursen y la frmula estudiada por la Prof. Luz Marina Pereira de

    la Universidad de Los Andes.

  • 32

    Figura 2.7: Socavacin en estribos de puentes

    (Ro Chama, Sector Pan de Azcar, Estado Mrida)

    2.8 Proteccin contra la socavacin

    La socavacin general en un ro (Figura 2.7) es prcticamente imposible de evitar, pues este

    tipo de socavacin se produce a lo largo de todo el cauce siempre que haya una crecida, por

    lo que la nica manera de evitarla sera proteger todo el cauce. Este tipo de socavacin es

    muy necesario tomarlo en cuenta al momento de disear las fundaciones de las estructuras a

    colocar en el ro.

    La socavacin local, por el contrario, slo afecta a la zona cercana a las estructuras que

    producen la alteracin del flujo, y por esta razn, se puede hacer el intento de reducirla.

    Esto se logra disminuyendo la intensidad de los vrtices frente a la estructura o aumentando

    la resistencia a la erosin del lecho alrededor de la pila o estribo. Segn Flrez y Aguirre

    (2006), los procedimientos que trabajan con una reduccin de la capacidad erosiva del

    agua, slo logran disminuir parcialmente la socavacin local, mientras que los mtodos que

    intentan aumentar la resistencia del material del fondo son ms efectivos.

  • 33

    Entre los mtodos ms empleados para la proteccin contra la socavacin local, se pueden

    mencionar los siguientes:

    Mtodo de Levi y Luna

    Mtodo de Kikkawa, Fukuoka y Sogaza

    Mtodo de Maza y Snchez

    Mtodo de Temez

    Otras formas de disminuir un poco la socavacin, segn Plata y Saldarriaga, es colocar la

    estructura en las zonas del ro menos vulnerables a la socavacin; utilizar placas (Figura

    2.8) u otros mecanismos de proteccin en la base de las estructuras para que se pueda

    disipar la energa de corrientes secundarias; emplear formas aerodinmicas en la

    construccin de pilas y estribos; inyectar concreto en el lecho del rea de cimentacin de la

    pila; y disponer material granular en las cercanas de la estructura, con un mayor tamao

    que el material del lecho, que por lo tanto sea ms difcil de arrastrar.

    Figura 2.8: Proteccin de pilas de puentes con placas metlicas

  • 34

    2.9 Condiciones Crticas para la Iniciacin del Movimiento

    Las caractersticas de las partculas del fondo del cauce, y las del flujo definen la velocidad

    lmite o velocidad crtica a partir de la cual se inicia el movimiento de las partculas.

    Debido al cambio de direccin de la corriente en las curvas o meandros del ro, en la parte

    exterior o estrados de la curva hay mayor recorrido, lo que incrementa la velocidad del

    agua, cambia el patrn de las lneas de corriente a una forma generalmente helicoidal y

    aumenta su poder erosivo y la capacidad de transporte del ro, lo que ocasiona mayor

    socavacin.

    El material removido puede depositarse en la parte interna de la curva, lo cual a su vez

    reduce la seccin hidrulica contribuyendo an ms al fenmeno de socavacin y al

    proceso de formacin de meandros de los ros. La reduccin de seccin en el cauce,

    tambin puede ser producida por la presencia de obras y estructuras en el mismo.

    Segn Flrez y Aguirre (2006), cuando las fuerzas hidrodinmicas que actan sobre la

    partcula de sedimento, son de tal magnitud que cualquier incremento de ellas por pequeo

    que ste sea, produce movimientos, entonces se dice que las condiciones son crticas. Para

    estas condiciones, las variables del flujo tales como el esfuerzo cortante en el fondo, la

    velocidad media o la profundidad, adquieren ciertos valores llamados crticos.

  • 35

    Si el sedimento del fondo de un ro es uniforme, las condiciones crticas son aqullas que

    existen en el fondo justo antes de iniciarse el movimiento de las partculas. No obstante,

    cuando el material de fondo posee diversos tamaos, las partculas de menor dimetro

    alcanzan las condiciones crticas antes que las de mayor dimetro; en este caso, se

    considera que toda la distribucin granulomtrica est representada por el dimetro medio

    para poder hacer los anlisis correspondientes.

    En condiciones crticas existe equilibrio entre las fuerzas de gravedad, el empuje de

    sustentacin, la fuerza ascensional, perpendicular al fondo, producida por la accin

    hidrodinmica y la fuerza hidrodinmica de arrastre paralela al fondo.

    La fuerza de sustentacin hidrodinmica no se considera explcitamente en la mayor parte

    de los anlisis tericos. Sin embargo, debido a que estas fuerzas dependen de un factor de

    forma y de un nmero de Reynolds, al igual que la fuerza de arrastre, su influencia queda

    automticamente determinada cuando se encuentran experimentalmente los coeficientes

    adimensionales que afectan a la fuerza de arrastre.

    Para una partcula como la que se muestra en la Figura 2.9 que se encuentra en condiciones

    de iniciar el movimiento girando alrededor del punto 0 de apoyo, se puede establecer que

    la sumatoria de momentos alrededor de ese punto es nula. La fuerza de gravedad aparente

    puede expresarse como c1 ( s ) d3. En donde d es el dimetro de la partcula

    con volumen igual a c1 d3, s es el peso especfico del sedimento y es el del fluido.

  • 36

    Figura 2.9: Esquema de definicin para la iniciacin del movimiento de una partcula de

    sedimento en el fondo de un cauce con pendiente. (Aguirre, 1980)

    La fuerza de arrastre crtica puede expresarse, segn el desarrollo de Vanoni (1974), como

    c2 oc d2

    donde c2 d2

    es el rea transversal efectiva, de la partcula expuesta al esfuerzo

    cortante crtico oc. Estableciendo el equilibrio de momentos, producidos por la fuerza de

    gravedad y la fuerza de arrastre alrededor del punto 0 de giro, se puede escribir:

    y agrupando trminos se tiene:

    Cuando el fondo es horizontal, como en los ros de llanura, el ngulo = 0, y entonces:

    Si la partcula, en condiciones crticas, est sometida a un flujo turbulento, las fuerzas con

    que acta el fluido sobre ella tienden a pasar por su centro de gravedad y por lo tanto a1 se

    aproxima al valor de a2. Por el contrario, cuando el flujo es laminar, es decir, cuando

  • 37

    c c

    actan los esfuerzos viscosos, la partcula est sometida a fuerzas superficiales de friccin y

    la resultante tiende a pasar sobre el centro de la partcula, es decir, a2 se hace mayor que a1.

    El esfuerzo crtico oc puede hacerse proporcional a V 2, donde V es la velocidad del

    flujo en la proximidad de la partcula, por lo tanto, la ecuacin indica que la velocidad

    crtica es

    proporcional a d3/6

    , es decir, al peso de la partcula a la potencia 1/6, ley que haba sido

    verificada por Brahms en 1753 segn referencia de Lelliavsky en 1955.

    En los experimentos de laboratorio, White (Aguirre, 1980) encontr que la constante

    c1a1/c2a2 era entre 1.7 y 2.0 veces mayor en los casos en que el flujo era laminar. White

    atribuy el hecho a que, en flujo turbulento, las fluctuaciones de la velocidad pueden

    ocasionar variaciones del esfuerzo cortante con valores que llegan a ser el doble del

    esfuerzo cortante promedio. Segn White, el esfuerzo cortante crtico tiene un valor

    constante que corresponde al contenido de los experimentos con flujo laminar, el cual est

    dado por:

    c1a 1 = 0.18 c 2 a 2

    (2.10)

    Por su parte, Shields en 1936 tambin hizo estudios acerca del esfuerzo cortante,

    encontrando que el esfuerzo cortante adimensional, conocido adems como Parmetro de

    Shields, *c= oc/(s )d, es una funcin del nmero de Reynolds de la velocidad de corte

    crtica, R*c= V*cd/. Posteriormente, Geesler en 1971 simplific y mejor los estudios

    realizados por Shields, y luego en 1974, Aguirre particulariz el grfico de Geesler para

    determinadas condiciones de peso especfico de los sedimentos, del peso especfico y la

    viscosidad del agua.

  • 38

    CAPTULO 3

    ANTECEDENTES

    Son pocos los estudios realizados, especficamente, sobre socavacin en muros

    longitudinales. Tradicionalmente, se han empleado las frmulas desarrolladas para la

    socavacin longitudinal y transversal del cauce o las de socavacin en estribos. Algunos de

    los estudios y frmulas al respecto se muestran a continuacin.

    3.1 Mtodo de Lischtvan-Levediev

    Las socavaciones general y transversal se estiman, por lo general, de forma conjunta ya que

    se producen simultneamente. El mtodo ms completo para su determinacin es el de

    Lischtvan-Levediev, en el cual segn Aguirre (1980), el primer aspecto a considerar es la

    forma del cauce, pues hay que observar si se trata de un cauce bien definido o no. En los

    cauces definidos el caudal de estiaje circula por un canal de lmites bien demarcados,

    mientras que en el caudal indefinido existen pequeos canales que se entrecruzan.

    Otro de los aspectos que toma en cuenta el mtodo es la textura del material de fondo, ya

    que para los materiales cohesivos, como limos y arcillas, se utiliza el peso especfico para

    calificar su grado de cohesin; mientras que para los no cohesivos, como arenas y gravas,

    se utiliza la curva granulomtrica para establecer la resistencia a la erosin. Tambin hay

    que tomar en cuenta si la distribucin del material en el fondo es homognea o heterognea.

    Con todos estos datos se puede aplicar el mtodo, que se basa en el equilibrio existente

    entre la velocidad media del agua (Vr) y la velocidad necesaria para el inicio del material

  • 39

    del fondo (Ve), en el instante en que se detiene el proceso de socavacin.

    La hiptesis principal de este mtodo establece que el gasto por unidad de ancho permanece

    constante durante todo el proceso erosivo, por esto, la distribucin de velocidades no vara.

    El clculo de la velocidad Vr es independiente de la forma del cauce y de la textura y

    distribucin del material del fondo. Si se aplica la ecuacin de Manning para el caudal que

    circula por cada franja de ancho, y se hacen las sustituciones necesarias, se tiene: donde:

    Siendo yn la profundidad normal; n es el coeficiente de rugosidad de Manning; S es la

    pendiente; y Hs es la profundidad final, despus del proceso de socavacin.

    Por su parte, para calcular Ve se tiene que considerar la forma del cauce, la textura del

    material de fondo y su distribucin. Por lo tanto, si se igualan las ecuaciones de Vr y Ve para

    despejar Hs, en cada condicin de cauce y tipo de suelo, se tiene, para suelos no cohesivos y

    cauces definidos:

  • 40

    En donde d es el dimetro medio expresado en milmetros, es un parmetro que depende

    de la probabilidad de ocurrencia del evento y x es un coeficiente funcin del tamao del

    sedimento de fondo.

    Para suelos cohesivos y cauces definidos:

    En donde s es el peso especfico del material de fondo en toneladas por metro cbico y x depende, ahora, del peso especfico.

    Para cauces indefinidos:

    En donde VCL, velocidad media admisible sin que se produzca erosin, es funcin del

    tirante y del dimetro medio del sedimento, para suelos no cohesivos, o del tirante y del

    peso especfico, en los suelos cohesivos.

    2.2 Mtodo de Artamonov

    Este autor presenta una expresin para el clculo de la socavacin al pie de estribos. La

    frmula de este mtodo no tiene limitaciones definidas para su aplicacin, por lo que

    siempre se puede emplear sin importar el tipo de sedimento ni la ubicacin del estribo. La

    frmula es la siguiente:

    Yst = Pq P Pk yn (3.6)

  • 41

    o

    En donde yn es la profundidad normal anterior a cualquier proceso erosivo aguas arriba del

    estribo; Pq es un coeficiente adimensional que depende de la relacin entre el caudal

    interceptado por el estribo (Qo) y el caudal de diseo (Qd); P es el coeficiente que toma en

    cuenta el ngulo de incidencia; y Pk considera el efecto de presencia de un talud de

    proteccin alrededor del estribo.

    2.3 Mtodo de Laursen

    Este mtodo propuesto por Laursen en 1958 se basa en lo establecido para el clculo de

    socavacin en pilas. Se consideran dos casos: cuando el estribo ocupa totalmente el cauce

    de avenidas y cuando est en el cauce principal. Luego, en 1974, Tmez, amplia el mtodo

    para dos casos ms: cuando el estibo ocupa parcialmente el cauce de avenidas y cuando el

    estribo est tanto en el cauce de avenidas como en el principal.

    Para todos los casos, la profundidad de socavacin local se obtiene grficamente, en

    funcin de un parmetro adimensional Qo C , donde Q

    es el caudal interceptado por el QcYn

    estribo, C es el ancho del foso de socavacin (segn Laursen es 2,75yst), yn es la

    profundidad media de la zona y Qc es el caudal correspondiente a la franja de ancho C.

    Cuando la seccin es regular, la profundidad yn y el caudal qc son constantes, por lo cual, el

    clculo puede ser realizado directamente. En cambio, si la seccin es irregular, tanto la

    profundidad como la velocidad tienden a disminuir hacia los extremos, y por lo tanto yn y qc

    dependen de C; en este caso, el clculo es un proceso iterativo en el que se comienza

  • 42

    suponiendo un valor de yst , con lo que se puede calcular C y Qc. Luego se obtiene el valor

    de Qo C

    QcYn

    y se comprueba el valor de y

    st.

    Cuando el estribo est en el cauce de avenidas, se presentan dos curvas en el grfico para el

    clculo de yst. Si el caudal es pequeo y se estima que no va a haber flujo transversal desde

    el canal principal hacia el cauce de avenidas, debe usarse la curva inferior. Si por el

    contrario, se espera un flujo transversal y no se le puede estimar de ninguna manera, la

    socavacin ser mayor y debe utilizarse la curva superior, que arroja un valor ms

    conservador.

    En ciertas ocasiones, puede ser que el estribo no llegue a cubrir la totalidad del cauce de

    avenidas, es decir, hay retranqueo. Si el retranqueo es pequeo, menor que la profundidad

    de socavacin, no hay influencia en el fenmeno. Pero si el retranqueo es dos veces mayor

    que la profundidad de socavacin local, los resultados de Laursen no son aplicables.

    Se recomienda que el mtodo sea utilizado para valores de Qo C

    QcYn

    menores a 30, ya que si

    Qo resulta mucho mayor que Qc muchas de la simplificaciones hechas por Laursen no

    resultan admisibles y se sobreestimara la profundidad de socavacin.

    Cuando el estribo slo intercepta la corriente en el cauce principal, la relacin del

    parmetro yst/yn se expresa en funcin de Le/yn. Si el cauce se considera uniforme, Le

  • 43

    (longitud efectiva del estribo) es igual al ancho del cauce interceptado por el estribo y yn se

    puede medir en cualquier punto.

    Laursen no contempla el caso en el que el estribo incide tanto sobre el cauce principal como

    sobre el de avenidas. Sin embargo, Tmez utiliz un razonamiento anlogo y desarroll un

    procedimiento a partir de las frmulas de Laursen. Lo primero que se hace es calcular una

    erosin ystM, suponiendo que todo el estribo est en el cauce de avenidas y que intercepta un

    caudal igual a Qo+qLL , donde Qo es el caudal que circula por el cauce de avenidas y L es la

    longitud del estribo correspondiente al cauce principal. Despus se calcula la socavacin

    ystm suponiendo que todo el estribo se encuentra en el cauce principal y que tiene una

    longitud igual a L+Qo/qL. Por ltimo, se hace un promedio ponderado de ambos valores:

    yst = ystM

    Qo + y

    Qo + qL L

    st

    m

    q L L

    Qo + qL L

    (3.7)

    Si el flujo se considera uniforme, la longitud L se convierte en la longitud efectiva Le.

    Los resultados obtenidos con este mtodo deben ser corregidos por un coeficiente K si el

    estribo no est perpendicular a la corriente y por un coeficiente K si existe transporte de

    sedimentos en suspensin, es decir, si gym

    S W

    es mayor que 0,5.

    2.4 Mtodo de Liu

    Liu realiz estudios sobre estribos perpendiculares al cauce y con taludes de proteccin de

    enrocado, y encontr la siguiente expresin:

  • 44

    Esta expresin slo es vlida si 0 L/yn 25, en donde L es la longitud del estribo, yn es la

    profundidad normal y F es el nmero de Froude.

    Luego se hicieron otros estudios que permitieron establecer la ecuacin para L/yn > 25:

    Y para estribos verticales sin ninguna proteccin, se obtuvo la siguiente expresin:

    Segn Liu, la ausencia de un talud de proteccin duplica el orden de magnitud de la

    socavacin local.

    2.5 Frmula de la Universidad de Los Andes

    En la Universidad de Los Andes, estudios realizados por Pereira (1995) para estribos

    perpendiculares a la corriente y condiciones de flujo superiores a las crticas, permitieron

    obtener la siguiente ecuacin:

  • 45

    Donde be es el ancho del estribo.

    Para el sistema mtrico, esta ecuacin puede ser escrita de la siguiente forma:

    Estos ensayos fueron realizados para ros de pie de monte y con profundidades relativas

    yn/d50 entre 14 y 178. Estos estudios toman en cuenta el efecto que produce el ancho del

    estribo be, encontrndose que a medida que se aumenta el ancho, se origina menos

    socavacin porque las lneas de corriente se suavizan, disminuyendo la potencia de los

    vrtices.

    2.6 Estudios de R. J. Keller

    Cuando ocurre una contraccin, la elevacin del fondo en la misma suele ser menor que en

    la zona donde no se encuentra la contraccin, esto se debe a que la socavacin es mayor en

    la zona donde se reduce la seccin del canal o del cauce. Adems, se pueden identificar dos

    tipos de socavacin: la socavacin en agua clara, donde no hay aporte de sedimentos; y la

    socavacin con transporte de sedimentos, cuando se exceden las condiciones lmites y se

    genera movimiento y transporte del material del lecho.

  • 46

    El anlisis de la socavacin con transporte de sedimentos requiere de expresiones

    especiales que tomen en cuenta el movimiento de los sedimentos. La socavacin en agua

    clara es ms simple de analizar, puesto que el esfuerzo cortante est asociado al lmite de

    iniciacin del movimiento. Es importante hacer notar que la socavacin en agua clara suele

    se mayor en un 10% aproximadamente, que la socavacin con transporte de sedimentos.

    El esfuerzo cortante del fondo puede ser expresado en funcin de lo propuesto por Shields

    y de la ecuacin de Manning, lo que luego permite establecer la profundidad en la

    contraccin.

    Keller realiz una serie de seis pruebas de laboratorio para medir la socavacin a lo largo

    de una contraccin, manteniendo constantes la granulometra y el estrechamiento, pero

    variando la profundidad aguas arriba y aguas abajo de la contraccin. En los ensayos

    estudi la socavacin en agua clara de una contraccin, y se compararon los resultados

    obtenidos con los que arrojaban las expresiones propuestas por Laursen y por Komura.

    Los estudios previos realizados por Komura, tambin hechos para la socavacin de

    contracciones en agua clara, permitieron obtener la siguiente ecuacin:

    Donde, Y2 es la profundidad en la contraccin, Y1 es la profundidad en la seccin no

    contrada, V1 es la velocidad de aproximacin a la contraccin, B1 es el ancho del canal

    antes de la contraccin y B2 es el ancho del canal en la contraccin.

  • 47

    El termino es el que permite tomar en cuenta la influencia del tamao de

    Las partculas en el clculo de la profundidad de socavacin.

    Los experimentos realizados por Keller fueron hechos en un canal rectangular de 1,56 m de

    ancho y con una contraccin de 0,52 m de ancho y 1,5 m de largo. La elevacin del fondo

    se monitoreaba durante toda la prueba con equipos ultrasnicos y se meda la profundidad

    cada 10 cm. El material empleado fue arena con un D75 de 2,1 mm y un D50 de 1,7 mm. La

    duracin del experimento dependa del tiempo en que se mantuviera en movimiento el

    material, pues finalizaba cuando cesaba el movimiento de los sedimentos.

    Lo primero que se not en las pruebas realizadas fue que la tasa de socavacin en la

    contraccin no era uniforme y que la socavacin en el extremo aguas arriba de la

    contraccin era mucho ms rpida que en el extremo aguas abajo. Esto se debe a la falta de

    aporte de sedimentos desde