11 - Clases Erosion y Socavación - 2012

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUCUMAN FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOG ÍA

CATEDRA: HIDRAULICA BASICA

TEMA: EROSION Y SOCAVACION

1.- GENERALIDADES • Se denomina erosión a la remoción de partículas del lecho fluvial provocada por el incremento del caudal líquido producido por el paso de una creciente. Dicho proceso se produce en un tiempo relativamente corto (el tiempo de ocurrencia de una creciente) y se diferencia de la erosión del lecho a largo plazo, producida por ejemplo por la construcción de una presa, la cual se debe a la retención de sedimentos en el embalse. • El fenómeno de socavación se relaciona con dos de los problemas hidráulicos mas complejos: la mecánica del transporte de sedimentos y la capa límite tridimensional. A su vez, la gran diferencia existente entre los diversos ríos y la variación con el tiempo de las condiciones de borde que intervienen en el proceso hacen de la socavación un problema de difícil solución experimental o analítica, ya que la modificación del patrón de flujo provoca cambios en la capacidad de transporte de sedimentos, que a su vez induce modificaciones en la forma de lecho, que de nuevo cambia los patrones de flujo antes de haberse establecido el equilibrio. A este proceso se le debe sumar el hecho de que generalmente los procesos de erosión se producen en ocurrencia de crecientes, en las cuales se tiene un flujo de caudal variable.

2.- TIPOS DE SOCAVACIÓN EN RIOS 

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Socavación general del cauce producida durante el flujo de una creciente por efecto del aumento de la capacidad de transporte de sedimentos del rí o. o. Socavación transversal bajo un puente por incremento de la velocidad originada por la disminución de la sección transversal de escurrimiento. Socavación en zonas externas de las curvas causadas por flujos secundarios que arrastran sedimentos hacia el interior de la curva, tema ya visto en hidráulica fluvial.

2.- TIPOS DE SOCAVACIÓN EN RIOS

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Socavación local al pie de estribos y pilas de puentes por generación de vórtices a causa del desví o de los filetes lí quidos quidos producto de las obstrucciones de las obras. Socavación por degradación de los cauces aguas abajo de embalses y otras estructuras que retienen sedimentos Socavación local al pie de un salto o caí da da de agua.

2.- TIPOS DE SOCAVACIÓN EN RIOS 

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Erosión aguas arriba de cortes de meandros y rectificaciones: Los fenómenos señalados incrementan la pendiente en un tramo del r í o, o, lo que produce en consecuencia, un aumento de las velocidades del flujo y del transporte de sedimentos. Erosión bajo tuberí a: a: Esta erosión se produce cuando una tuberí a o sif ón colocado horizontalmente en el fondo interfiere al escurrimiento. Para que esa interferencia produzca una erosión del fondo se requiere que al menos la mitad del diámetro quede descubierto e interpuesto a la corriente.

3.- EROSIÓN GENERALIZADA DEL CAUCE

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Los primeros intentos de resolver el problema se deben a investigaciones soviéticas, siendo el más conocido el método desarrollado por LischtvanLevediev. Los métodos para la estimación de la erosión general pueden aplicarse tanto a nivel de la sección transversal global, o bien segmentando la misma en una serie de franjas verticales y aplicar el procedimiento de cálculo en forma desagregada. El método de cálculo adoptado seguirá los lineamientos desarrollados entonces por LischtvanLevediev.

Los datos básicos para la aplicación del método son: Perfiles transversales de la sección del rí o donde se quiere determinar la erosión  Caudal de diseño, tirante y velocidad del agua, preferentemente calculados considerando flujo permanente variado.   Análisis granulométrico y distribución de materiales constituyentes del lecho.  El método se basa en el equilibrio existente entre la velocidad media real del agua Vr  y la velocidad necesaria para el inicio del arrastre del material de fondo Ve  en el instante en que se detiene el proceso de socavación. 

        h      s         h

T Nivel de diseño

i

i-1

Nivel normal

hi-1

hi

Contorno de la sección erosionada

hi i

Sección para flujos bajos

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En general, para rí os os arenosos las f órmulas de Maza-Garcí a y de Laursen sobre-estiman de manera muy apreciable la erosión general, mientras que la de Blench tiende a subestimarla. Los resultados más aceptables se obtienen con las f órmulas de LischtvanLebediev, Maza-Echavarrí a y Kellerhals, aunque esta última fue inicialmente calibrada con datos de rí os os con lechos de grava.

4.- EROSIÓN LOCALIZADA EN PILAS DE PUENTE 

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La erosión local en este caso se define como un descenso abrupto en el lecho fluvial alrededor de una pila debido a la remoción del material de fondo por escurrimiento de acción localizada inducido por la presencia de la pila.  A la fecha no se tienen tienen resultados teóricos ni experimentales enteramente satisfactorios, debido a la complejidad de los procesos. El escurrimiento es muy complejo y no puede todav í a ser calculado, debido a que se trata de un campo de velocidades turbulento, inestable y tridimensional.

El rasgo dominante del escurrimiento en las proximidades de una pila de puente es la presencia de una estructura de remolinos que se desarrolla alrededor de la misma. Estos sistemas de v órtices son el mecanismo básico de la erosión local. Dependiendo del tipo de pila y las condiciones de la corriente fluvial no perturbada, existen dos tipos de vórtices:  

 Vórtice en herradura.  Vórtice en estela.

Vórtice en estela

Vórtice en herradura

4.1.- El Vórtice en herradura

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El elemento dominante del proceso de erosión local alrededor de las pilas de nariz roma es el vórtice en herradura. Si el fondo es erosionable, la socavación máxima se produce en correspondencia con la máxima intensidad del vórtice, es decir en el punto de estancamiento de la corriente, ubicada aguas arriba de la pila.

4.2.- El V órtice en estela 

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El vórtice en estela se forma aguas abajo de la pila y es generado por la separación de la capa lí mite mite de la superficie de la pila. Para números de Reynolds bajos los vórtices son estables y forman un sistema fijo inmediatamente aguas abajo de las pilas. Para números de Reynolds mayores (de interés práctico) el sistema es inestable y los vórtices se desprenden alternativamente de cada lado de la pila y se desplazan aguas abajo de ésta. La intensidad de estos vórtices depende de la forma de la pila y de la velocidad del flujo. Una pila de forma hidrodinámica formará una estela débil, mientras que otra menos cuidada en este sentido producirá una estela fuerte.

4.3.- Evaluación de la profundidad de la fosa de socavación 

Las variables que intervienen en el proceso son:

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Caracterí sticas sticas del fluido:

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Densidad: .  Viscosidad cinem cinemática: 

Material constituyente del lecho: Densidad especí fica: fica: s. Curva granulométrica. Forma de los granos. Grado de cohesión del material (de ser cohesivo).

Caracterí sticas sticas del escurrimiento: Tirante del flujo de aproximación.  Velocidad media. Rugosidad Tipo de sección de escurrimiento.

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Para la evaluación de la fosa de socavación vamos a utilizar la f órmula del CSU (California State University), la cual se basa en un procedimiento empí rico rico de ajuste a una curva de datos observados en laboratorio. Los experimentos de laboratorio en los que se basa la f órmula CSU corresponden a ensayos realizados para pilas cilí ndricas ndricas individuales, usando como sedimento arena con tamaños medianos de 0.24 mm, 0.26 mm y 0.52 mm.

5.- EROSIÓN LOCALIZADA EN ESTRIBOS DE PUENTE 

La erosión local en estribos de puente ocurre cuando el estribo produce una obstrucción en el flujo de agua. El mecanismo de erosi ón en estribos de puente es similar al que se da en las pilas de los puentes. En efecto, la obstrucci ón del flujo forma un vórtice de eje horizontal aguas arriba del estribo, el cual se desplaza a lo largo del pie del estribo; y un vórtice de eje vertical aguas abajo del estribo. El vórtice del pie del estribo, llamado vórtice principal, es similar al vórtice en herradura de las pilas de puente en tanto que el vórtice de aguas abajo lo es al vórtice en estela de las pilas de puente, los que hemos descrito anteriormente.

La profundidad de socavación en los estribos es un problema complejo, y depende de las siguientes variables: Forma del estribo. Caudal en el cauce principal del rí o. o. Caudal interceptado por el estribo. Caracterí sticas sticas de los sedimentos constituyentes del lecho. Forma de la sección transversal del cauce principal en la zona de puente.  Alineamiento del estribo. estribo.    

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El FHWA (Federal Highway Administration) en su HEC 18 recomienda dos ecuaciones para el cálculo de la socavación en estribos de puente. Cuando la longitud mojada del estribo (L ) dividida en el tirante de aproximación (y1 ) es mayor que 25 se sugiere aplicar la ecuación HIRE (Richardson, 1990). Caso contrario se sugiere la aplicación de la ecuación derivada por Froehlich (Froehlich, 1989).

5.1.- Ecuación HIRE

5.1.- Ecuación de Froehlich

M.D.

M.I. Tablero del Puente Borde Inferior  de Viga Estribo MI

Nivel de Diseño

Estribo MD Pilas Lecho Inicial

Socavación en Estribo MI

Socavación en Pilas Socavación General y por Contracción Socavación en Estribo MD

Socavación Total (envolvente)

6.- EROSIÓN LOCALIZADA EN SALTOS DE AGUA 

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La presencia del foso de erosión aguas abajo de una presa, salto o azud es un tema de gran importancia, ya que el mismo puede ser un factor de inestabilidad de la estructura de caí da. da. En el pasado, los esfuerzos se centraron en la búsqueda de correlaciones empí ricas ricas para las dimensiones de la fosa socavada. (Shocklitsch (1932), Veronese (1937), Wu (1973), etc. Sin embargo, una ví a de análisis más racional, que aplica la teorí a de de los chorros turbulentos, fue inaugurada por Muñoz en 1964. En este enfoque se supone como mecanismo básico para el alcance de un estado de socavación lí mite, mite, independiente del tiempo, el de la disminución de la velocidad de un chorro sumergido en la dirección de su movimiento medio.  Así , el chorro excava el material de de fondo hasta que su su velocidad ha decrecido lo suficiente como para que las tensiones tangenciales en el lecho alcancen un valor cr crí tico tico en el sentido de Shields.

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