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• Miguel Reyes Nima

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

ESCUELA DE INGENIERIA AGRICOLA

CURSO HIDRAULICA FLUVIAL

SOCAVACION Profesor Ing. Lorenzo Salazar Chavesta [email protected] *0345146

SOCAVACION INTERESA CONOCER

1) Socavación general 2) Socavación transversal 3) Socavación en Curvas 4) Socavación local 5) Erosión aguas debajo de grandes embalses 6) Erosión producida por la descarga de compuertas de fondo 7) Socavación al pie de obras de descarga 8) Socavación bajo tuberías

CONCEPTO DE SOCAVACIÓN La socavación consiste en la profundización del nivel del fondo del cauce de una corriente causada por el aumento del nivel de agua en las avenidas, modificaciones en la morfología del cauce o por la construcción de estructuras en el cauce como puentes, espigones. Comprende el levantamiento y transporte de los materiales del lecho del río en el momento de una avenida o creciente

Concepto de Socavación

 La socavación se la relaciona con las fallas de las cimentaciones de puentes en todo el mundo, algunas de ellas catastróficas y con pérdidas de vidas humanas.

 Los puentes y otras estructuras

representan una contracción del ancho del cauce y al presentarse un aumento en los caudales de la corriente,

El aumento de la velocidad y la turbulencia en la contracción puede generar niveles de socavación de varios metros

1) SOCAVACION GENERAL La socavación general se puede producir por varias causas:

a. Aumento del caudal durante las avenidas b. Incremento de la pendiente del cauce por alteración del canal, o corte de meandros. c. Remoción de sedimentos del flujo por la construcción de una presa o por extracción de materiales del fondo del cauce.

1) SOCAVACION GENERAL d. Transferencia de agua de una cuenca a otra, la cual altera la capacidad de transporte de sedimentos de ambas corrientes

e. Disminución de la rugosidad del cauce por obras de regulación del canal. Esta socavación es una erosión general de todo el cauce y no depende de que exista o no un puente u otra estructura.

SOCAVACION GENERAL Para su calculo se recomienda utilizar el método de LISCHTVANLEVEDIEV , el cual esta basado en determinar:  La condición de equilibrio entre la velocidad media de la corriente  y la velocidad media del flujo que se requiere para erosionar un material de diámetro y densidad conocidos .

SOCAVACION GENERAL Se aplica tanto si la distribución del material del subsuelo es homogénea, o como si es heterogénea. Es decir formando estratos de distintos materiales La condición de equilibrio esta dado por:

Ue= 𝐔𝐫 Ue : Velocidad media que debe tener la corriente para erosionar al material del fondo (inicio de arrastre), en m/s Ur: Velocidad media real de la corriente, en m/s

SOCAVACION GENERAL Para poder aplicar el método se requieren los datos siguientes que son relativamente fáciles de obtener: • El gasto máximo de diseño Qd Asociado al periodo de retorno • Elevación del agua de rio (En la sección en estudio) para el gasto anterior • La sección transversal de la sección en estudio obtenida durante el estiaje anterior.

SOCAVACION GENERAL • La sección transversal de la sección en estudio obtenida durante el estiaje anterior. • Si el suelo es granular, se necesita la granulometría del material de fondo, de donde se calcula el diámetro medio Dm. • Si el suelo es cohesivo, se deberá obtener el peso volumétrico γs de la muestra seca.

SOCAVACION GENERAL a) CALCULO DE 𝐔𝐫. (Velocidad media de la corriente m/s):

La hipótesis fundamental consiste:  Suponer que el gasto unitario que pasa por cualquier franja de la sección permanece constante mientras dure el proceso de erosión,  y se obtiene con la sgte ecuación para cualquier profundidad que se haya alcanzado 𝐔𝐫. , vale:

SOCAVACION GENERAL

Ur 

d

5/3 o

ds

Donde

Ur : do ds α

Velocidad media de la corriente m/s

: Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la sección entre el nivel del agua al pasar la avenida y el nivel del fondo obtenido durante el estiaje, en m. : Profundidad después de producirse la socavación del fondo, se mide desde el nivel del agua al pasar la avenida hasta el nivel del fondo erosionado, en m. : Coeficiente que se deduce a partir de los datos, mediante la expresión:

SOCAVACION GENERAL

Qd   5/3 d m Be  Donde

Qd : Gasto máximo de diseño m3/s dm : Tirante medio de la sección, el cual se obtiene dividiendo

el

área hidráulica entre el ancho efectivo, en m. dm = A/ B e

Be

: Ancho efectivo en la sección, descontados todos los

µ

: Coeficiente que toma en cuenta el efecto de contracción

obstáculos, en m, para encontrar B e, se traza una línea perpendicular a las líneas de corriente. Sobre esas líneas se proyectan todos los obstáculos y B e, es la suma de todos los espacios libres. producido por las pilas en el caso de existir un puente, su valor se encuentra en la tabla 1.9, si no hay puente µ = 1

SOCAVACION GENERAL CALCULO DEL ANCHO EFECTIVO Be Be= 𝐵 − ∑𝑏𝑖 𝑐𝑜𝑠ф - (c +1 –N) a senф B : Claro total del puente, en m. a : Largo de las pilas en m. bi :Ancho de la pila i, en m. c : Número de caras de las pilas o estribos dentro y en los límites de B. N : Número de pilas o estribos considerados al tomar a c. ф : Angulo que forma la dirección del flujo con el eje longitudinal de las pilas.

tabla 1.9,

SOCAVACION GENERAL b) CALCULO DE 𝐔𝐞.

: La velocidad mínima necesaria para arrastrar los materiales depende de la naturaleza de los mismos: PARA SUELOS NO COHESIVOS

PARA SUELOS COHESIVOS

Donde

0.28 m

U e  0.68 D

d

x s

U e  0.60 

1.18 s

d

x s

Ue

: Velocidad media que debe tener la corriente para erosionar al material del fondo (inicio de arrastre), en m/s

β

: Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno con que se presenta el gasto de diseño, su valor se encuentra en la tabla 1.10

x

:

Exponente variable que tiene diferente valor en cada una de las formulas, para suelos no cohesivos su valor depende de Dm, en mm y para suelos cohesivos depende del peso volumétrico γs,

en ton/m3 sus valores se indican en la tabla 1.11

TABLA 1.10 COEFICIENTE β PERIODO DE RETORNO EN AÑOS

COEFICIENTE β

1

0.77

2

0.82

5

0.86

10

0.90

20

0.94

50

0.97

100

1.00

500

1.05

1000

1.07

TABLA 1.11 VALORES DE X y 1/(1+x), para suelos cohesivos y no cohesivos

El valor de z = x, γd = γs Suelos granulares= suelos no cohesivos

SOCAVACION GENERAL 1) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HOMOGENEOS Conocido el tipo de suelo que existe en el sitio y suponiendo que la rugosidad es constante en toda la sección, la profundidad hasta que llegara la socavación se obtiene al igualar los valores de 𝐔𝐞. 𝐲 𝐔𝐫 1 PARA SUELOS GRANULARES

ds

ds  (

 d o5 / 3

0.68 Dm0.28 

) (1 x )

: Profundidad después de producirse la socavación del fondo, se mide desde el nivel

del agua al pasar la avenida hasta el nivel del fondo erosionado, en m.

do β

: Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la sección entre el nivel del agua al pasar la avenida y el nivel del fondo obtenido durante el estiaje, en m.

: Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno con que se presenta el gasto de diseño, su valor se encuentra en la tabla 1.10

SOCAVACION GENERAL 1) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HOMOGENEOS PARA SUELOS COHESIVOS

ds

d ds  ( 0.60 

5/3 o 1.18 s



)

1 (1 x )

: Profundidad después de producirse la socavación del fondo, se mide desde el nivel

del agua al pasar la avenida hasta el nivel del fondo erosionado, en m.

do

β

: Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la sección entre el nivel del agua al pasar la avenida y el nivel del fondo obtenido durante el estiaje, en m.

: Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno con que se presenta el gasto de diseño, su valor se encuentra en la tabla 1.10

Estas ecuaciones se deben aplicar en varias verticales de una sección. En cada una se obtendrá una profundidad ds que será función de la profundidad inicial do, al unir todos los puntos obtenidos se tendrá el perfil teórico de la sección erosionada.

SOCAVACION GENERAL 2) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HETEROGENEOS

Cuando la distribución de los materiales en el sub suelo es heterogénea es posible encontrar la profundidad de la erosión en cada vertical, mediante un método por tanteos o por un método semigraficos, solo se explicara el método por tanteos. • Tener en cuenta la distribución estratigráfica de los materiales bajo una vertical

SOCAVACION GENERAL 2) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HETEROGENEOS • Se escoge el manto superior (estrato superior), y de acuerdo a la naturaleza del material SE APLICA UNA DE LA FORMULAS ANTERIORES (ds).

• Si la profundidad ds, obtenida, queda debajo del limite inferior del estrato, se escoge el segundo estrato y se repite el tanteo anterior con la formula correspondiente al tipo de suelo de ese segundo estrato.

do ds

SOCAVACION GENERAL 2) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HETEROGENEOS • En el primer tanteo en que la profundidad ds, calculada este dentro del estrato en estudio, se habrá obtenido la ds buscada.

• El calculo de ds, para suelos heterogéneos, se debe hacer en forma ordenada es decir, empezando por el estrato superior y continuando hacia los mas profundos

do ds

SOCAVACION GENERAL 2) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HETEROGENEOS •

•

Cuando el ds, calculada este a un nivel superior al del estrato analizado, quiere decir que ese material es muy resistente a la erosión. En esos casos , la profundidad de la erosión que se debe escoger , es la frontera superior del estrato considerado.

ds

2) CALCULO DE LA SOCAVACION ds PARA SUELOS HETEROGENEOS

SUELOS HETEROGENEOS

do ds

SOCAVACION GENERAL CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL CUANDO LA RUGOSIDAD NO ES UNIFORME EN LA SECCIÓN

Cuando existen dos o mas zonas con diferentes rugosidad, a lo ancho de la misma sección el procedimiento de calculo es semejante, con la única diferencia de que hay que trabajar en forma aislada con cada zona y que para cada una hay que calcular el αi correspondiente

Q di i  5/3 d mi Bei i

2) SOCAVACION TRANSVERSAL CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL CUANDO LA RUGOSIDAD NO ES UNIFORME EN LA SECCIÓN Se puede valuar siguiendo el procedimiento descrito para el calculo de SOCAVACION GENERAL, ya que se toman en cuenta las reducciones producidas dentro del valor del

área Ae , y el ancho efectivo Be , sin embargo para tener una idea bastante aproximada del valor de la socavación transversal se puede utilizar la formula de STRAUB

 B1  d 2     B2 

0.642

d1

2) SOCAVACION TRANSVERSAL  B1  d 2     B2 

0.642

d1

El subindice 2 es para la sección reducida y el 1 para los valores en una sección inalterada localizada aguas arriba, Este método se puede utilizar si la distribución del material es homogénea y el suelo es arenoso, conviene usarlo debido a su sencillez,

También permite calcular la erosión en cualquier sección reducida , el ancho de la superficie libre B, se mantiene contante, o sea que no se puede presentar erosión lateral

3) SOCAVACION EN CURVAS La socavación en las curvas es un fenómeno muy difícil de analizar, en razón de los flujos secundarios y la gradación de los sedimentos. Ni el nivel de agua ni la profundidad del cauce son constantes a lo largo de la curva y ambos son difíciles de predecir. Si se dispone de la sección transversal en estiaje se puede aplicar el método de la socavación general, pues el perfil de estiaje indica mayores profundidades en el lado exterior de las curvas .

3) SOCAVACION EN CURVAS La aplicación de este método presenta la ventaja de que permite conocer la profundidad máxima y la forma aproximada de la sección transversal ya socavada. Si se carece del perfil de estiaje, la máxima profundidad se calcula a partir del conocimiento de las características de la curva en planta, radio de curvatura r, medido al centro del cauce y ancho de la superficie libre B

3) SOCAVACION EN CURVAS La profundidad máxima dmax, que puede llegar a presentarse vale según ALTUNIN:

dmax= ℰ 𝐝𝐫

Donde

ℰ

: Coeficiente que depende de la relación r/B y cuyo valor se encuentra en la tabla 1.12 dr : profundidad máxima en el tramo recto situado aguas arriba de la curva , en m TABLA 1.12 VALORES DEL COEFICIENTE ℰ, EN FUNCION DE r/B

r/B

∞

6

5

4

3

2

ℰ

1.27

1.48

1.81

2.20

2.57

3.00

3) SOCAVACION EN CURVAS SI LA SECCION TRANSVERSAL NO SE CONOCE, LA PROFUNDIDAD MEDIA dc EN EL LADO EXTERIOR DE LA CURVA SE CALCULA APARTIR DE LAS CARACTERISTICAS DE LA CURVA: SU RADIO DE CURVATURA, r, MEDIDO HASTA EL PUNTO MEDIO DE LA SECCION Y EL ANCHO DE LA SUPERFICIE LIBRE, B. ESTO ES. SI 0.168