Socavacion -guillermo octavio diaz

8/10/2019 Socavacion -guillermo octavio diaz

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UNIVERSIDAD NACIONAL

SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

ESCUELA DE INGENIERIA AGRICOLA

Aplicacin de las formulas empricas y el programa de Hec-Raspara estimar la profundidad de socavacin entorno a los estribos

del puente de Jangas

PROYECTO DE TESIS

DOCENTE:

Dr Ing Fidel G Aparicio Roque

PRESENTADO POR:

Zegarra Huamaliano Jarry Edein

HuarazPer

2014


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ANTECEDENTES DEL PROBLEMA

SMITH, Adam (1976)Bridge failures indica que, estudi los casos de 143 puentes

que haban fallado total o parcialmente, encontrando entre sus causas 70 fallas

debidas a que las profundidades de socavacin en una o varias pilas, alcanzaron

niveles inferiores a los que llegaban las cimentaciones de las mismas.

SHIROLE, A. et al. (1991)"Planning for Comprehensive Bridge Safety Assurance

Program" indica que, estudiaron 1000 de los 600 000 puentes existentes en Estados

Unidos, que haban fallado a lo largo de un periodo de 30 aos y encontraron que el

60% de las fallas se origin por problemas de socavacin.

American Association of State Highway and Transportation Officials (1994)

indica que, la mayor parte de los puentes que han fallado, en USA y en todo el

mundo, ha sido debido a la socavacin.

Colegio de Ingenieros del Per (1998)seala que, hubo 58 puentes destruidos y 28

afectados, la totalidad de las fallas ocurridas en ambos Meganios tuvo su origen en

problemas de Hidrulica Fluvial.

RICHARDSON (1999) manifiesta que, La mayora de las fallas de puentes en el

mundo es debida a la socavacin MUOZ, Edgar (2000), Estadstica de las causas de falla de puentes en Colombia

indica que, En una investigacin reciente sobre la evaluacin de las causas de colapso

de algunos puentes en Colombia, basada en el estudio de sesenta y tres (63) casos de

fallas totales y parciales se encontr que el 70% se producen por fenmenos

hidrulicos, tales como socavacin y avalanchas.

Secretaria de comunicaciones y transportes - Mxico (2002) informa que, en los

tramos carreteros entre playa Azul- Manzanillo, Manzanillo- Minatitlan , Zihuatanejo-Playa Azul de una base de 77 puentes se report que casi el 81 % de estas, ms de la

mitad presenta algn tipo de socavacin en pilas estribos o taludes debido a las

grandes avenidas

WARDHANA, Kumalasari et al. (2003) Analysis of recentbridge failures in the

united states indica que, estudiaron 500 fallas ocurridas entre 1989 y el 2000 en 500

puentes de los Estados Unidos y encontraron que el 53% se debi a las avenidas y a la

socavacin


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ROCHA FELICES, Arturo (2013), Introduccin a la Hidrulica de las Obras

Viales informa que, en Colombia realizaron estudios sobre fallas de puentes para los

periodos 1996-1997 y 2001-2002 y encontraron que alrededor del 73% de las fallas se

debi a erosin fluvial (socavacin).

MARTNEZ VARGAS, Alberto et al (2007)boletn tcnico M.I.G -n 20 por qu

fallan los puentes en el Per? informa que, los puentes Bolognesi - Piura, simn

rodrguez de Amopate - Piura de cimentacin en suelos areno - limonso, Huachipa -

Lima de cimentacin en gravas, Requen - Chiclayo con cimientos de arena fallaron

por socavacin.

FORMULACIN DEL PROBLEMA

La socavacin consiste en la profundizacin del nivel del fondo del cauce de una corriente

causada por el aumento del nivel de agua en las avenidas, modificaciones en la morfologa

del cauce o por la construccin de estructuras en el cauce como puentes, espigones, etc.

La Socavacin se relaciona con las fallas de las cimentaciones de puentes en todo el mundo,

algunas de ellas catastrficas y con prdidas de vidas humanas.

El estudio de la socavacin se inici con las investigaciones de E.M. Laursen en 1949, pero

los procedimientos de diseos de estructuras contra socavacin no se iniciaron hasta 1960 y

fue hasta 1998 cuando se especificaron procedimientos unificados para el Clculo desocavacin en los diseos de puentes por parte de la FHWA en los Estados Unidos.

El problema es tan delicado que la FHWA (1998) recomienda disear los puentes contra

socavacin para una inundacin con periodo de retorno de 500 aos, y en los Estados Unidos

se realiza la inspeccin de puentes contra socavacin cada dos aos. La instrumentacin de

las pilas de los puentes como medida de control, es ya un proceso comn en el manejo de

puentes en los pases desarrollados.

Problema General

Cul ser la profundidad de socavacin entorno a los estribos del puente de Jangas

aplicando formulas empricas y el programa Hec-Ras?

OBJETIVOS

Objetivo general

Aplicar formulas empricas y el programa de Hec-Ras para estimar la profundidad de

socavacin entorno a los estribos del puente de Jangas.


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JUSTIF ICACIN

Terica:debido las mximas avenidas y la falta de obras de proteccin en los puentes, esto

hace que se produzca el problema de socavacin, que afecta a la mayora de puentes, puesto

que al momento de disear los puentes los clculos son imprecisos para este problema

fundamental.

El puente de Jangas es uno de los pasos ms importantes de la va principal de transporte del

callejn de Huaylas que influye al movimiento econmico del lugar, de la regin y del pas, y

es por eso que el colapso de ella implicara grandes prdidas econmicas a la poblacin.

Relevancia (importancia):es relevante porque en esta investigacin se expondr la validezde algunas frmulas empricas que se adecuen a la realidad de la zona y tambin

proporcionara una metodologa en el diseo hidrulico de puentes.

Pertinencia (oportuna y conveniente.): es pertinente porque no se encuentra estudios de

socavacin dentro del callejn de Huaylas es y particularmente en el puente de Jangas no

encontramos obras de proteccin aguas arriba por lo que la probabilidad de socavacin es alta

en el estribo izquierdo.

Social:es factible socialmente porque beneficiara a que el transporte se mantenga en buen

funcionamiento sin afectar a la poblacin aledaa

Ambiental: es factible ambientalmente porque para prevenir la socavacin se construir

obras de proteccin que evitara el arrojo de desmontes y basura al pie de los estribos que

indirectamente se produce la contaminacin del rio y del ambiente alrededor.

Econmico:es factible porque econmicamente el costo de la investigacin es mnima


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4.3. MARCO TEORICO

4.3.1ANTECEDENTES DEL TEMA

OSORIO ALEGRE, Edgar (2008) tesis: Socavacin en pilas y estribos del puente

Cuate II Nueva Italia Arteaga km160.312,tiene como Objetivo estimar la profundidad

de socavacin localizada con los Mtodos de Lischtvan-Lebediev, yaroslavtzeiv,

Lauresen-Toch, Maza Snchez, cuyo Resultado es la socavacin mxima en los estribos

izquierdo derecho y la pila que es de 6.3m, 6.3m, 6.6m respectivamente y como

Conclusin debido a la incertidumbre de los mtodos parece razonable aumentar en un

50% la profundidad de socavacin estimada

BAUTISTA AMADO, Carmen et al. (2008) tesis: Estudio de socavacin localizada en

la pila nmero siete del puente Guillermo Gaviria Correa (Barrancabermeja-Yondo)tiene

como Objetivo: anlisis cuantitativo del proceso de Socavacin Local, durante el evento

de inundacin con un perodo de retorno de 100 aos con el Mtodo Melville y Coleman

(2000) junto con el programa HEC-RAS cuyo Resultados indican que la socavacin

general es de 9.37m por contraccin (9.52m, 0.65m) y local (14.37m, 21.27m)

respectivamente; en Conclusin se recomienda un monitoreo de la cimentacin del puente,

pues esta investigacin encontr que para la creciente de diseo, el puente estara ensituacin crtica de falla.

GALIANO AYALA, Lesly et al. (2010) tesis:"Anlisis de la socavacin en cauces

naturales tiene como objetivoe laborar un programa con su respectiva gua de usuario,

para el clculo de la socavacin general y en socavacin en estribos. utilzando como

mtodos las frmulas empricas deLacey, Blench, Maza lvarez y Echavarra Alfaro,

Lischtvan & Lebediev, Kellerhals para socavacin general; Laursen, Liu et al, Melville,

Frochlich, Richardson y Davis, Melville para socavacin en estribos; cuyo resultadosindican que para la socavacin en estribos, se recomienda el uso de la ecuacin por

Richardson y Davis; y para socavacin general la frmula de Maza permite obtener el

perfil socavado sin disponer de la distribucin transversal de velocidades; en Conclusin

la eleccin de la profundidad de socavacin no debe basarse solamente en los resultados

obtenidos mediante las ecuaciones, sino tambin, del buen criterio, experiencia y

conocimiento de las variables involucradas..


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4.3.2MARCO CONCEPTUAL

1.1.INTRODUCCIN

La consecuencia de la accin de los fenmenos fluviales naturales y de las obras hechas

por el ser humano en un cauce es un retroceso de las orillas o descenso del fondo. La

determinacin de estos fenmenos, no es exacta, ya que no existe una teora concreta que

lo permita. Existen dos procesos complejos altamente ligados a estos fenmenos

naturales, que no permiten tener un entendimiento ntegro ni soluciones precisas para los

mismos, que son: la turbulencia, con su complejidad y variabilidad; y el transporte de

sedimentos, con su dependencia en el flujo turbulento. Por lo que con el paso de unacrecida, existe una mayor turbulencia y por lo tanto aumenta la cantidad de sedimentos

transportados. Cuando el caudal desciende a sus niveles normales, el sedimento se

deposita en el fondo, que regresa a su nivel normal, excepto por algunos tramos que se

ven afectados por la socavacin y erosin. Uno de los mayores problemas causados por

una crecida, se presenta en los puentes ya que afecta gravemente a las pilas y a los

estribos, causando, en muchos casos el colapso de los puentes.

1.2.SOCAVACIN

A la socavacin se la conoce como la disminucin del nivel del lecho del ro debido a la

existencia del arrastre de los materiales causado por el agua.

La cantidad de esta reduccin medida desde el nivel inicial es denominada como la

profundidad de socavacin.

1.3.TIPOS DE SOCAVACIN

1.3.1. SOCAVACIN GENERAL

La socavacin general es tambin conocida como socavacin normal. Es el

descenso del fondo de un ro durante una crecida y es debida al aumento de la

capacidad de arrastre que tiene la corriente en ese momento, por su mayor

velocidad.


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Una vez que el agua ha descendido, se puede observar que el fondo se encuentra

a la misma altura y en general la posicin se ha mantenido, excepto en algunos

lugares donde al cauce principal se ha movido.

Este tipo de socavacin es consecuencia del rgimen, y puede ocurrir si seconstruye una estructura o no. Puede ocurrir en un periodo corto o en un periodo

largo, estos se distinguen por el tiempo en que se desarrolla la socavacin. La

socavacin general en periodo corto ocurre durante una o varias crecidas

seguidas. La socavacin general en periodo largo ocurre en espacios de un ao o

varios aos.

Los mtodos que permiten la determinacin de la socavacin general son:

A. PARA LECHOS COHESIVOS

Segn Farraday y Charlton (1983),La profundidad del flujo se calcula suponiendo

que la erosin general ocurrir hasta que la tensin tractiva iguale a la tensin tractiva

crtica, en el lecho. Por lo que la ecuacin propuesta es:

En unidades SI:

.......................(01)

Donde:

hms: se expresa en metros y es la profundidad media del flujo

n: coeficiente de rugosidad de Manning.

q: se expresa en (m2/s) y es el caudal por unidad de ancho para la condicin hidrulica

analizada.

tc: se expresa en (N/m

2

) y es la tensin tractiva crtica.

Mtodo de Mirtskhoulava (1967, 1991),presentada porLauchlan y May (2002):

Ecuacin fundamental en que se basa el procedimiento de clculo de la erosin

general:

..(02)Donde:


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hms: es la profundidad media del flujo (despus de sucedida la erosin general).

q: caudal especfico.

kr: altura de los elementos de rugosidad (kr = 0.75d95).

ec: coeficiente que toma en cuenta la contraccin del flujo y el incremento en el

caudal unitario,

m1: coeficiente de las condiciones de funcionamiento,

mh: es un coeficiente que toma en cuenta el nivel de agua en la planicie de inundacin

(materiales cohesivos: n=4).

vn: velocidad no erosiva en las proximidades del lecho.

o :parmetro que depende de la rugosidad relativa (h/kr).

Para la velocidad vnse propone la siguiente ecuacin:

(03)

Donde n=4, y aplicando a esta ecuacin los valores tpicos de los sedimentos

naturales, se obtiene para la velocidad caracterstica:

..(04)

La velocidad vnest expresada en m/s y d50en metros.

Para determinar b:

.(05)

Mediante la aplicacin de la ecuacin anterior, se puede ver que para el rango de

valores de (h/d95) entre 10 y 100000, o vara entre 0.25 y 0.15, lo cual es tpico de

los cauces naturales. Por lo que el caudal unitario sera elevado al exponente entre0.80 y 0.87, en la frmula para hms.


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FIGURA 01: Variacin del parmetro o.

Fuente: mi r tskhoulava (1991)

Las relaciones mencionadas, tambin son aplicables para lechos compuestos por materiales

arenosos.

B. PARA LECHOS ALUVIALES O NO COHESIVOS

Segn Lacey (1930):Neill (1973), indica que la profundidad media de socavacin:

.(06)

Donde:

Q: (m3/s) es el caudal de diseo.

dm: (mm) dimetro medio.

Segn Blench(1969):

La profundidad media de socavacin puede ser determinada a partir del caudal

unitario:

Para arenas de 0.06 < d50 (mm)


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(07)

Donde:

Q: (m3/s/m) es el caudal unitario por metro de ancho;

d50: (mm) es el tamao del sedimento, donde el 50% es material fino.

La frmula se deriva de estudios en canales con caudal constante, transporte de

sedimentos casi nulo, lecho con dunas arenosas y 0.1 < d50(mm) < 0.6, canal recto en

planta, pendiente uniforme del canal, y la viscosidad del agua = constante.

Para gravas con gravedad especfica del sedimento Ss=2.65 y d50(mm) > 2 mm:

..(08)

Donde:

Q: (m3/s/m) es el caudal unitario por metro de ancho;

d50: (mm) es el tamao del sedimento, donde el 50% es material fino.

La frmula es basada en estudios de ros de grava gruesa.

La hiptesis fundamental sobre la cual se funda el mtodo de Lischtvan & Lebediev

establece que: la distribucin transversal de caudales de una seccin se mantiene

invariable durante todo el desarrollo del proceso erosivo.

La ecuacin de Lischtvan & Lebediev para el rango de las arenas es:

..(09)

Segn Farraday y Charlton (1983), basndose en las investigaciones de Blench sobre

cauces aluviales en rgimen:


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(10)

La profundidad media de socavacin segn Maza lvarez y Echavarra Alfaro (1973)

(Melville y Coleman, 2000; Lauchlan y May, 2002), es:

Para arenas o gravas de d75 (mm) < 6:

(11)

Donde:

hms (m): es la profundidad media de socavacin,

hs (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta,

ho (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta la profundidad mayor

del nivel de agua normal,

hmo (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta la profundidad media

socavada,

Q (m3/s):es el caudal,

W (m): es el ancho de la superficie del agua, y

d50 (mm): es el tamao medio del sedimento.

Ese mtodo se bas en los alcances de diferentes autores, que incluyen estudios en

Amrica del Sur. Los tamaos de los sedimentos estn dados entre limos hasta arenas d 75

(mm) < 6. El mtodo es para secciones anchas, por lo que si una seccin no es lo

suficiente ancha, en As = W hms, hms es considerada como el radio hidrulico medio (R =

As /P), donde P es el permetro mojado de la seccin socavada. Los autores aclaran que la

frmula es aplicable en arenas y gravas.

Para la determinacin de la profundidad mxima de socavacin, se utiliza la relacin

(ho/hmo), as:

Para arenas o gravas de d75(mm) < 6:


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(12)

La frmula no incluye los efectos de las curvas.

Las profundidades de socavacin estn basadas en la velocidad crtica media mnima

(Vc(m/s)), en donde se presenta la socavacin del fondo:

Para arenas o gravas de d75(mm) < 6:

(13)

Para la comparacin con otras frmulas propuestas, Maza lvarez y Echavarra Alfaro

(1973): presentan la siguiente ecuacin:

(14)

La frmula de Kellerhals (Farraday y Charlton, 1983; Lauchlan y May, 2002), para cauces

con lechos de grava, se puede interpretar de la siguiente manera para los lechos aluviales:

(15)

Analizando la compilacin ms completa presentada por Lauchlan y May (2002) y las

formulas indicadas, se observa que todas tienen mucha similitud, por lo que se las puede

mencionar de manera genrica, esto se debe a que se basan en criterios dergimen. As,

considerando los rangos tpicos de algunas variables en el caso de cauces fluviales con

lechos arenosos (Farias y Pilan, 2002), se tiene la frmula generalizada:

..(16)

Donde:

hms: es la profundidad media despus de la erosin,


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En cambio en la socavacin en lecho mvil existe transporte de sedimentos del

lecho desde aguas arriba y por lo tanto parte de este sedimento queda atrapado en

el hoyo de socavacin. En este caso, la socavacin alcanza equilibrio cuando la

cantidad de material que es transportado iguala la cantidad de material que es

removido.

Para la estimacin de la profundidad de socavacin en las pilas de puentes y de

estribos se utiliza la siguiente relacin (segn Melville y Coleman2000):

.(17)Donde, K son expresiones empricas para los diferentes factores que afectan a la

profundidad de socavacin. KyB = calado - tamao Kyb para pilas y KyL para

estribos; KI = intensidad de flujo; Kt = tiempo; Kd = tamao del sedimento; Ks =

Forma de la pila o del estribo, K = Alineacin de la pila o estribo; KG = geometra

del canal. La ecuacin es aplicable solamente para socavacin local.

5.3.3.2.1 CaladoTamao de los cimientos (Calado - Tamao)

Los datos donde se identifica la influencia de KyL= f(y,L) en la socavacin local, se

muestran en laFIGURA 03, que incluye los datos de Gill (1972), Wong (1982), Tey (1984),

Kwan (1984, 1988), Kandasamy (1989), Dongol (1994).

Las lneas son la tendencia de los datos, de izquierda a derecha, para estribos anchos, estribos

con ancho intermedio y estribos angostos, en condiciones de umbral de movimiento. Para la

socavacin en agua clara, con velocidades de flujo pequeas, se presenta una profundidad de

socavacin pequea.


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FIGURA 02: Influencia de la superficie del flujo en la Profundidad de socavacin local

en estribos.

Fuente: M elvi l le y Coleman2000

Las ecuaciones para la lnea superior, donde se definen los factores de calado - tamao para

estribos:

(18)

5.3.3.2.2 Factor de intensidad de flujo, KI

Sucede lo mismo que para el caso de las pilas. LasFIGURAS 5.14 y 5.15, contienen datos de

laboratorio de varias fuentes, para la socavacin local en estribos en trminos de KI.


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5.3.3.2.4 Factor de la forma de la cimentacin, Ks

El factor de forma se define como la relacin de la profundidad de socavacin para una forma

de pila o de estribo en particular. Los valores del factor de forma recomendados para estribos

pequeos se dan en la TABLA 5.10.

TABLA 5. 10: Factores de forma para pilas uniformes y estribos pequeos.


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Fuente: tes is: anlisis de s ocavacin en c ause natur ales (2010)

Y para estribos largos, se tiene:

(20)

En donde, Ks es el factor de forma dado para estribos pequeos.

5.3.3.2.5 Factor de ali neacin de la cimentacin, K

El factor de alineacin de la cimentacin, K, para estribos largos se da en la TABLA 5.13.

TABLA 5. 13: Factor de alineacin para estr ibos, K.

Fuente: tes is: anlisis de s ocavacin en c ause n aturales (2010)


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Para estribos pequeos, el factor de alineacin ajustado K* se da con las siguientes

frmulas:

.(21)

En donde, Kes el de la TABLA 5.13.

5.3.3.2.6 Factor de la geometra del canal de aproximacin, KG

Para los estribos de puentes en canales rectangulares, por definicin KG =1. Para estribos en

canales compuestos, el factor de KG depende de la posicin del estribo en el canal

compuesto, as:

..(22)

En donde, L y L* = longitud total proyectada del estribo y longitud proyectada del estribo

atravesando la llanura de inundacin, respectivamente; y y y* = calados en el cauce principal

y en las llanuras de inundacin, respectivamente; n y n* = rugosidad de Manning en el cauceprincipal y las llanuras de inundacin, respectivamente. En la FIGURA 5.16 se representa

grficamente a la ecuacin que proviene de anlisis tericos que relaciona el flujo en los

estribos en un canal compuesto, con el flujo en un canal rectangular correspondiente.

En la figura se puede observar que las profundidades de socavacin en los estribos situados

en el borde del cauce principal de un canal compuesto (L/L*1), teniendo un calado

reducido (y/y*) y una rugosidad alta (n/n*0) en la llanura de inundacin, pueden ser

reducidas a 10% de la profundidad de socavacin en un canal rectangular equivalente.


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FIGURA 5. 16: Influencia de la geometra del canal en la profundidad de socavacin

local en estribos.


5.3.3.2.7 Factor del tiempo, Kt

Para la socavacin local en estribos de puentes bajo las condiciones de agua clara, Kt es dado

por la siguiente funcin:

.(23)

La expresin para te:

..(24)

Las ecuaciones de Laursen (1962,1963) y Gill (1970,1972), son similares y todas estn

basadas en la solucin de contracciones rectangulares largas. La principal diferencia radica en

los radios de contraccin usados. Gill utiliza el radio de contraccin de todo el canal,


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mientras que Laursen utiliza una contraccin imaginaria con un radio de contraccin: (2.75ds

+ L) / 2.75ds


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Fuente: Anlisis de la socavacin en cauces naturales (2010)

1.4.HEC-RAS

HEC-RAS es un programa el cual fue diseado de manera que por medio de la

elaboracin de modelos, se pueda realizar clculos hidrulicos en una dimensin con

rgimen permanente para una red completa de cauces abiertos, canales, ros ya sean

naturales o artificiales.

Este es un programa que fue desarrollado por el Centro de Ingeniera Hidrolgica

(Hydrologic Engineering Center) del Cuerpo de Ingenieros de la armada de los EE.UU

(US Army Corps of Engineering) , para determinar el fluido de los ros y puertos que

estaban bajo su jurisdiccin.

Las siglas HEC - RAS significan Hydrologic Engineering Center River Analysis

System. Este programa fue desarrollado para ayudar a los ingenieros hidrulicos, para

anlisis de caudal, tirante hidraulico en cualquier seccin del rio y determinacin de

planicie de inundacin.

El programa de computador HEC-RAS permite realizar la hidrulica en la zona del

puente y hacer clculos de profundidades de socavacin local en pilas y en estribos

usando las ecuaciones recomendadas en HEC-18, 2001

Este programa HEC-6 podra usarse complementariamente para evaluar cambios a largo

plazo en ros en asocio con el programa HEC-RAS para los clculos de socavacin en el

puente propiamente dichos.

4.3.3DEF INI CIN DE TRMINOS


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Rio, sistema de canales naturales (curso de agua) por medio de los cuales se descarga el agua

de la cuenca.

Seccin estable de rio,permite controlar el tirante de la mxima avenida, con una seccin

estable se puede controlar el desplazamiento del lecho del ro, para que tenga al flujo central

en una caja inferior y con su misma energa.

Socavacin,es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida

debida al efecto hidrulico de un estrechamiento de la seccin; la degradacin del fondo del

ro del cauce se detiene cuando se alcanzan nuevas condiciones de equilibrio por disminucin

de la velocidad, a causa del aumento de la seccin transversal debido al proceso de erosin.

Sedimento, En hidrulica fluvial, entendemos por sedimento cualquier material, ms pesado

que el agua, que es transportado en cualquier momento por la corriente y luego depositado.

La palabra sedimento se aplica tanto a una enorme roca, como a una fina partcula de arcilla.

Cauce:concavidad por donde corren las aguas de los ros, arroyos, riego u otros usos.

Caudal: volumen de agua por unidad de tiempo.

Tirante, es la distancia vertical del punto ms bajo de la seccin del canal a la superficie

libre.

ANEXOS


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