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• Arturito Acosta

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Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica y Energética

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

Análisis de procesos de erosión local en márgenes de cauces fluviales con curvatura en planta Volumen 1

Autor: José M^ González Ortega Ingeniero Agrónomo Director: Eduardo Martínez Marín Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

2004

TESIS DOCTORAL

Análisis de procesos de erosión local en márgenes de cauces fluviales con curvatura en planta Presentada por:

D. José M3 González Ortega Dirigida por: Dr. Eduardo l^artínez l^arín TRIBUNAL ENCARGADO DE JUZGAR LA TESIS DOCTORAL: Presidente:

Vocales:

Vocal Secretario:

Calificación:

Madrid,

de

2004

Resumen

RESUMEN Entre ia gran variedad de elementos que se han venido utilizando a lo largo de la historia para ia protección de márgenes de cauces sujetos a procesos de erosión, la protección de escollera o riprap ha sido y continúa siendo hoy día uno de los métodos más utilizados en todo el mundo debido principalmente a sus características de flexibilidad, larga duración, facilidad de puesta en obra y reparación y apariencia natural.

Los métodos de cálculo del tamaño de roca existentes en la actualidad presentan una serie de limitaciones entre las que se pueden destacar la utilización de diferentes criterios y parámetros de cálculo, la obtención de resultados muy dispares y la no consideración de los efectos del incremento de velocidad y presencia de corrientes secundarias que tienen lugar en los tramos curvos de los cauces.

Esta tesis se centra, primeramente, en la revisión exhaustiva de los métodos existentes actualmente tanto para el análisis de la estabilidad de la escollera como para el dimensionamiento de protecciones, realizando un amplio estudio comparativo de criterios, parámetros de cálculo y resultados obtenidos por estos últimos. También se analiza el flujo en tramos con curvatura en planta, con especial incidencia en la relación entre la velocidad media del flujo en tramos rectos y la velocidad máxima en tramos curvos, así como en la cuantificación del efecto de las corrientes secundarias producidas en estos últimos.

La tesis propone una nueva metodología para el cálculo de protecciones de escollera en tramos curvos que contempla tanto el incremento en la velocidad media de la corriente que se produce por efecto de la curvatura como la presencia de la velocidad debida a los movimientos secundarios que tienen lugar en una curva. Asimismo, se han elaborado una serie de tablas y gráficos que facilitan la aplicación de la nueva metodología a casos habituales de tramos de cauces con curvatura en planta.

Resumen

ABSTRACT Lots of different elements have been used during the history in order to protect the margins of the rivers against the erosive processes. Among these, the riprap protection has been in the past and still today, the most used in the entire worid because of its flexibility, durability, easy to place in construction and repair, and of its natural appearance.

Nowadays, the methods of calculation of the rock size present an important number of limitations, such as different criteria and calculation parameters, obtaining results of various diversity. In addition, they do not consider the ¡ncremental effects of the velocíty and the existence of secondary currents, which has place in the bends of the natural channels.

The goal of this thesis is, at first, to make an exhaustive revisión of the different existing methods both for evaluation riprap stability as well as the calculation of the rock size for riverbank protection. Secondly, a wide study of comparison of criteria's, calculation parameters and results has been done. Finally, the flow in river bends has been largely analysed, with special incidence in the relation between average flow veiocity in straight stream and máximum flow veiocity in bends, and the quantification of the effects of secondary currents.

This thesis propose a new method of calculation for riprap protection in river bends or man-made channels which contemplates both the increase of the average veiocity of the flow and the presence of the veiocity due to the secondary currents. At the same time, a number of tables and charts has been defined, in order to facilítate the application of the new methodology to solve cases that are usually produced in curved channels.

Agradecimientos

Agradecimientos A mi director de tesis y gran amigo, Eduardo Martínez Marín, por su constante ayuda y transmisión de ánimo a io largo de estos años de trabajo, y sobre todo por su paciencia y confianza en mí.

A mi mujer, Desirée, ya que sin su comprensión y continuo apoyo, sobre todo en los momentos más difíciles, esta tesis nunca hubiera salido a la luz. Ella ha sabido asumir en todo momento el trabajo que he dejado de hacer por sacar esto adelante y ha colaborado en la lectura y corrección de los capítulos redactados. Muchas gracias.

A mis hijos, Tania y Sergio, por comprender que papá estaba haciendo una tesis y eso significaba que muchos sábados tenía que irse y quitarles horas de juego y dedicación.

A Rolando Salman, Jacek Kwasniewsl600

Bueno

Fuente: Escarameia 2.3.2.- Parámetros geotécnicos La tensión de rotura de una suelo se define como la máxima resistencia que puede oponer ese suelo a una fuerza externa sin romperse. Si se sobrepasa ese valor, se produce un fallo en el suelo que suele traducirse en la aparición de superficies de deslizamiento. Uno de ios factores que más influencia tiene en la determinación de la fuerza resistente de un suelo al deslizamiento es la presión intersticial ó subpresión. Un incremento de ésta disminuye la resistencia del suelo a un valor que se suele denominar tensión efectiva de rotura, la cuál se puede expresar matemáticamente como la suma de dos términos, la cohesión efectiva y la fricción interna efectiva:

(2.1)

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siendo: c'=c-u;

dónde c' es la cohesión y K la presión intersticial

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Figura 2.11- Diagrama de Shields La figura

2.12

presentada por Chien (1954), muestra la variedad de funciones

propuestas por diferentes investigadores para la determinación del esfuerzo cortante crítico en función del diámetro medio de las partículas. Estas son resultado de estudios tanto teóricos como experimentales y sirve para ilustrar las diferencias que pueden ser obtenidas al adoptar alguno de los métodos.

46

Capítulo 2

Estabilización v protección de cauces

10000

1 DjO MEAN DWMETER.mm

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Figura 2.12.- Diagrama de Cliien 2.7.5.- Otras formulaciones que definen el inicio de la erosión

Las mayores críticas recibidas por el diagrama de Shields se refieren a que las variables dependientes, tensión cortante crítica y tamaño del g rano, aparecen ambas en los parámetros representados en la abcisa y ordenada del diagrama. La solución del diagrama de Shields presentada por el "Task Committee on preparation on Sedimentation Manual" (1966) utiliza un tercer parámetro:

D

gDs

Entrando en el diagrama y siguiendo la línea paralela correcta, se puede determinar su intersección con la curva principal de Shields y el correspondiente valor de F« usando el diagrama dado por Simons y Richardson (1957) (Fig. 2.13), preparado para resolver problemas por el procedimiento de prueba y error.

47

Estabilización v protección de cauces

Capítulo 2

Cuando se tiene la velocidad y el tamaño del grano, es posible obtener directamente el valor correspondiente de

u U,0/v

wD/V

Figura 2.13.- Diagrama para el cálculo de la tensión crítica Shunts y Hill (1968) proponen una corrección del diagrama de Shields en la parte final de éste, concretamente en el intervalo comprendido entre los valores 10 a 600 del número de Reynols (Re) (ver figura 2.14). Dividen este intervalo del diagrama en cuatro segmentos y dan una ecuación para cada segmento de la curva: 0'25

para

O'OOOS < D^ < 0'0009 ft

Tc = 0'315Ds

0'633

para

O'OOOS