Proyecto Final - E4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESTUDIOS HIDROLÓGICOS, HIDRÁULICOS Y DE SOCAVACIÓN PARA CONSTRUCCIÓN DE UN PUENTE VEHICULAR EN EL MUNICIPIO DE SAN GIL, SANTANDER ESTUDIOS DE SOCAVACIÓN

VIAS EN VERDE Ingenieros Consultores

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DANIEL E. BERMUDEZ – 214073 DAVID O. GONZÁLEZ – 214030 YULDER TOBAR - 213708

BOGOTÁ D.C. - COLOMBIA

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Tabla de Contenido 1. CONSIDERACIONES GENERALES ........................................................................... 2 1.1. Introducción ............................................................................................................ 2 1.2. Estudios hidrológicos.............................................................................................. 2 1.3. Estudios hidráulicos................................................................................................ 2 1.3.1. Sedimentos ................................................................................................. 3 1.3.2. Reducción de la sección hidráulica ............................................................. 4 1.4. Estudios geológicos y geotécnicos ......................................................................... 4 1.5. Estudios topográficos ............................................................................................. 4 2. MODELACIÓN SOFTWARE HEC-RAS 4.0 - ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES ....................................................................................................... 4 3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 9

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1. CONSIDERACIONES GENERALES

1.1. Introducción La ocurrencia de crecientes extremas conduce a los procesos de socavación general en cauces y local alrededor de pilas y estribos qué, sumados a factores de índole hidráulico y geotécnico, inadecuadamente analizados, se convierten en las causas más comunes de falla de los puentes. Se debe tener en cuenta que un estudio de socavación no sólo se debe basar en los resultados que arrojen las ecuaciones indicadas a lo largo de un manual en particular, sino que deberá primar la experiencia, el conocimiento de las diferentes variables, las limitaciones y los rangos de aplicación de las ecuaciones a utilizar y, sobre todo, el buen criterio del ingeniero que diseña, para garantizar la obtención de los valores adecuados de socavación que aseguren la estabilidad de la estructura, sin redundar en una cimentación extremadamente costosa.

Por otro lado, la evaluación de la socavación en puentes y, en general, en estructuras hidráulicas es un tema sobre el que no se ha dicho la última palabra, por lo que aún se trabaja en el desarrollo de metodologías para determinar la profundidad de socavación al presentarse una creciente. En general, las diferentes ecuaciones propuestas para el cálculo de la socavación son el resultado de investigaciones de laboratorio con limitada verificación en campo, razón por la cual la profundidad de socavación calculada puede diferir entre un autor, o método, y otro.1 1.2. Estudios hidrológicos Según el manual adoptado para este estudio, el caudal de diseño para calcular la socavación deberá ser el correspondiente a un periodo de retorno de 100 años. Sin embargo, debido al poco tiempo de incursión en el manejo del software que se aplicará para determinar la socavación en el puente, se trabajará con el caudal estimado en un periodo de retorno de 50 años, el cual también se utilizó en el modelo hidráulico de la estructura. Por lo tanto, el caudal de diseño para el cálculo de la socavación es 847.98 m3/s.

1.3. Estudios hidráulicos A partir de los estudios hidráulicos previos a este estudio, es importante resaltar que deberán ser tenidos en cuenta los siguientes elementos para su definición en campo y posterior estudio:

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Tomada de la referencia bibliográfica No. 1: Manual de Drenaje para Carreteras, INVIAS, Diciembre de 2009. Capítulo 6-1.

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1.3.1. Sedimentos A partir de la información obtenida, y de la cual no se tienen datos precisos pero si información general que conlleva a poder inferir las características del suelo, se determinaron las características del suelo. En el informe geotécnico presentado se establece que los suelos del lecho son cohesivos, y se tienen rasgos importantes de arcillas y arenas muy finas en menor cantidad.

Figura 1. Clasificación granulométrica de los suelos. De la figura 1 se podrán tener aproximaciones de como adoptar en un papel para graficar curvas de distribución granulométrica, una curva característica del suelo cuya distribución sea semejante a la mayoría de curvas que se determinan tras las pruebas de laboratorio. De este modo, en la siguiente gráfica se mostrará la curva adoptada, y los valores de interés para este estudio.

Gráfica 1. Curva establecida para la caracterización del suelo en el lecho del Río Fonce.

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De la gráfica anterior se tiene que, el D50 es 0.002 mm y el D95 es 0.03 mm.

1.3.2. Reducción de la sección hidráulica En el diseño y proyección de la estructura, determinada a partir del estudio hidráulico, se tuvo especial cuidado en la reducción hidráulica de la sección en procura de hacer que esta haya sido mínima. Lo anterior a razón de que cualquier reducción, por mínima que sea, produce una mayor capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta por efecto de la reducción hidráulica del cauce, que podría conducir a la aparición de fenómenos de socavación local en los referidos estribos o pilas. 1.4. Estudios geológicos y geotécnicos

La cantidad y las características de los sedimentos dependen principalmente de la geología; especialmente de la litología, la estructura del suelo y la meteorización del mismo. Por tal razón, el conocimiento de las condiciones geológicas que rigen los procesos de socavación de un cauce, complementado con los estudios geotécnicos, son de gran importancia para calcular su magnitud.2 La información al respecto de la geología y derivada de los estudios geotécnicos, fue consignada en el documento de los Estudios Hidráulicos para este proyecto, en el Capítulo 3.2. 1.5. Estudios topográficos Es de gran importancia la información que se logre obtener en cuanto al levantamiento topográfico y batimétrico de la zona en la que el puente cruza el cauce. No solamente será importante la información puntual en donde se estudiará la socavación, sino también la caracterización del terreno en el contexto mismo para tener en cuenta los controles que tiene el flujo. En ese sentido, la información obtenida fue consignada al detalle en el documento de los Estudios Hidráulicos para este proyecto, en el Capítulo 3.1. De la información que se mencionó en los Estudio Hidráulicos, cabe destacar que en la sección hidráulica para el estudio de socavación que se hará, el ancho de la sección es de 82.45 m, y el nivel de aguas máximas para la creciente de diseño es 8.69 m.

2. MODELACIÓN SOFTWARE HEC-RAS 4.0 - ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES Una vez compilada la información que se aplicará en el software para modelar el puente y determinar así un concepto de la socavación en la estructura, vale la pena destacar cuatro 2

Tomado de la referencia bibliográfica No. 1: Manual de Drenaje para Carreteras, INVIAS, Diciembre de 2009. Capítulo 6-3.

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de los criterios básicos que se deberán tener en cuenta en el momento de hacer los estudios: 1. Degradación o agradación general del cauce a largo plazo, ya sea debido a causas naturales motivadas por el efecto acumulado a través del tiempo del paso de crecientes, o por causas externas, originadas por ejemplo por la construcción de presas, o por la alteración antrópica de la cuenca (deforestación, urbanización, explotación minera, etc.), lo cual conlleva a que se altere el equilibrio entre el suministro de sedimentos por la cuenca y el transporte de éstos por la corriente. 2. Socavación por migración lateral de la corriente, la cual se presenta básicamente por la divagación de la corriente ya sea en tramos meándricos o rectos, y que de no evaluarse de manera adecuada, puede terminar por afectar la infraestructura de un puente. 3. Socavación general, y es a la que nos referimos en este manual, tiene que ver con el descenso generalizado de lecho de la corriente durante el paso de la creciente de un periodo de retorno de 100 años y que se sucede en tramos rectos, en una contracción ya sea de tipo natural o motivada por una obra (estribos, puentes, espigones, etc.) y en los tramo de curvas en los ríos. 4. Socavación local en estribos y pilas.3 En la modelación solo serán tenidos en cuenta los aspectos tercero y cuarto, dado que los dos primeros se dan en un contexto más amplio de estudio y análisis.

Figura 2. Panel principal del Software con los datos generales. En la función Hydraulic Desing Computations se procede a hallar los parámetros de socavación para evaluar el impacto de la estructura Hidráulica.

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Criterios tomados de la referencia bibliográfica No. 1: Manual de Drenaje para Carreteras, INVIAS, Diciembre de 2009. Capítulo 6-3.

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Figura 3. En esta sección se calculará la socavación local en las pilas. Se establece que el ángulo de ataque del agua a la estructura es de 0º para el software, lo que indica una dirección de flujo perpendicular a la estructura.

Figura 4. Reporte de socavación local en las pilas del puente. Se determina una socavación de 2.61 m para la pila ubicada a 40 m de la margen izquierda, y de 2.67 m para la pila ubicada a 60 m de la margen izquierda del rio. Socavaciones obtenidas para valores máximos de Y1 y V1 (5.73 m y 2.53 m/s respectivamente) y bajo la utilización de la ecuación Laursen (Live-bed).

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Para determinar la socavación por contracción, generalizada, se adopta un valor de K1=0.69 con base en la siguiente tabla:

Figura 5. Tabla para determinar el exponente K1. Con lo cual se obtiene el siguiente reporte:

Figura 6. Reporte de socavación generalizada en la estructura. Del reporte que arroja el modelo, se determina una socavación generalizada de 0.69 m, esto bajo la utilización de la ecuación CSU. Ahora bien, teniendo en cuenta los dos tipos de socavación anteriores y modelando esa situación, se obtiene el siguiente reporte:

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Figura 6. Reporte de socavación generalizada y local en las pilas de la estructura. Se obtienen valores de 3.25 m para la pila ubicada a 40 m de la margen izquierda del río, y de 3.31 m para la pila ubicada a 60 m de la margen izquierda del río. Finalmente, el cálculo de la socavación total considerado por HEC-RAS es la combinación de la socavación por contracción y la socavación individual de pilas y estribos. Para los estribos, utilizando la ecuación HIRE. El reporte obtenido para la socavación total, es el siguiente:

Figura 7. Reporte de socavación total en la estructura.

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Por último, se observa como la socavación localizada en los estribos arroja unos altísimos valores, cuya magnitud es de 13.44 m para el margen izquierdo y de 10.06 m para el margen derecho. De este modo, se obtiene la siguiente tabla resumen: Profundidades de Socavación Combinadas Socavación por pilas + Socavación por contracción Pila a 40 m del margen izq. Pila a 60 m del margen izq. Socavación estribo izquierdo + Socavación por contracción Socavación estribo derecho + Socavación por contracción (m)

3.25 m 3.31 m 13.44 m 10.06 m Tabla 1. Resumen de los valores de socavación encontrados.

Análisis: Vale la pena destacar que la modelación y diseño al detalle de la estructura no tiene en cuenta las recomendaciones del manual para minimizar la socavación, en cuanto a la forma de las pilas y orientación de las mismas. Comparativamente, es posible que los valores de socavación sean altos frente a los valores que arrojen otros diseños que hayan sido detallados para ese fin. Sin embargo, es prudente mencionar la posibilidad de mejorar el diseño y disponerlo de la forma más eficiente en términos hidráulicos y para efectos de socavación, teniendo como base una experiencia más amplia en el manejo del Software y sus alternativas de modelación.

3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Manual de Drenaje para Carreteras, INVIAS, Diciembre de 2009.



Sofware de uso libre HEC-RAS, Versión 4.0. Disponible en: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html



Manual para el uso de HEC-RAS, Versión 4.0. Disponible en: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-document.html

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