EROSIÓN Y SOCAVACIÓN

EROSIÓN.

La erosión del suelo es la remoción del material superficial por

acción del viento o del agua. El proceso se presenta gracias a la

presencia del agua en las formas: pluvial (lluvias) o de escorrentía

(escurrimiento), que en contacto con el suelo, vencen la resistencia

de las partículas de éste generándose el proceso de erosión.

Muchos proyectos de ingeniería exigen la remoción de la

vegetación y excavaciones de suelo generando problemas

ambientales en laderas y cursos de agua por la producción e

incorporación de sedimentos a las corrientes que alteran los

ecosistemas naturales.

EROSIÓN HÍDRICA.

Es la erosión por agua de lluvia y abarca la erosión provocada por el

impacto de las gotas sobre el suelo desnudo, como también la

acción hidráulica que arranca y transporta las partículas de suelo

por el escurrimiento en laderas y taludes.

a. Saltación pluvial. El impacto de las gotas de lluvia en el suelo

desprovisto de vegetación y expuesto, disminuye la permeabilidad e

incrementando la escorrentía.

b. Escurrimiento superficial difuso. Comprende la erosión laminar

sobre laderas desprovistas de vegetación y afectadas por la

saltación pluvial. El escurrimiento difuso ocurre cuando la velocidad

del agua es menor de 30 cm x seg-1.

c. Escurrimiento superficial concentrado. Produce dos formas, los

surcos de erosión (canales bien definidos y pequeños), y las

cárcavas, que son canales o zanjones de mayor magnitud.

El proceso se da en cuatro etapas:

1. Entallamiento del canal.

2. Erosión remontante desde la base.

3. Cicatrización.

4. Estabilización.

d. Escurrimiento subsuperficial. Las aguas infiltradas ocasionan la

tubificación y el sifonamiento del suelo, formando cavidades, en

donde la fuerza de infiltración ha superado la resistencia del suelo.

EROSIÓN FLUVIAL.

Es la erosión que se presenta en los cursos de agua (quebradas y

ríos). La fuerza tractiva del agua vence la resistencia de los materiales,

produciéndose procesos de socavación lateral y de fondo. Los

procesos movilizan además de arcillas y limos, otros materiales como

arenas, gravas, cantos y bloques, en las formas de acarreo e

disolución, suspensión y acarreo de fondo. Los volúmenes movilizados

por erosión fluvial son altos, en cauces erosionados.

Proceso de erosión hídrica y su contribución a la inestabilidad

EFECTOS DAÑINOS DE LA EROSIÓN.

• El agua turbia se mezcla con el agua clara, arrastrando las

partículas de tierra a puntos distantes de su origen.

• Los ríos llenos de partículas de tierra, luego se sedimentan sobre el

fondo de lagos o mar, afectando adversamente la vida marina.

• Aumenta la incidencia de inundaciones, los ríos y quebradas se

llenan de sedimentos y el agua se sale de su cauce natural.

• Insuficiencia en los abastos de agua, acumulación de sedimentos en

los embalses.

• Se deteriora la calidad del agua, arrastre de productos químicos y

desperdicios.

• Afectan los ecosistemas marinos, las partículas suspendidas en el

agua limitan la cantidad de luz solar que reciben los arrecifes en

ocasiones causándoles la muerte.

Algunas medidas para el control de la erosión.

• Uso de una capa de vegetación para protección, las raíces

proveen una acción fijadora.

• Uso de troncos para la protección del suelo.

• Uso de muro de gaviones para proteger las quebradas.

• Uso de piedras para disminuir la velocidad del agua.

SOCAVACIÓN.

La socavación es la remoción de materiales del lecho de un cauce

debido a la acción erosiva del flujo de agua alrededor de una estructura

hidráulica. La socavación del fondo de un cauce definido es el producto

del desequilibrio entre el aporte sólido que trae el agua a una cierta

sección y la mayor cantidad de material que es removido por el agua en

esa sección.

Los materiales se socavan en diferentes formas: suelos granulares

sueltos se erosionan rápidamente mientras que los suelos arcillosos

son más resistentes a la erosión. La profundidad máxima de

socavación se alcanza en horas para suelos arenosos, en tanto que

puede tardar días en suelos cohesivos, meses en piedras areniscas,

años en piedras calizas, y siglos en rocas tipo granito. Es posible que

varias crecientes se requieran para que se produzca máxima

profundidad de socavación dependiendo del tipo de material.

TIPOS DE SOCAVACIÓN.

Se supone que los diferentes tipos de socavación se presentan

independientemente el uno del otro por lo que al estimarse la socavación total

deben sumarse los efectos de: la socavación a largo plazo,

la local y la general por

contracción u otros

factores, evaluándose

además el efecto del

posible movimiento lateral

de la corriente. El interés

por determinar los

diferentes tipos de

socavación radica en saber

si la estructura corre algún

riesgo y en establecer

formas de protección.

1.- Socavación a largo plazo.

Se refiere a la tendencia a la degradación que el lecho presenta a lo largo

del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por

el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecientes. Por

no ser de naturaleza transitoria, o sea que no se presenta durante

crecientes, la socavación a largo plazo se considera de tipo permanente.

Se manifiesta en grandes extensiones a lo largo del cauce.

El lecho puede estar en proceso de degradación afectando la estabilidad

del puente, en proceso de agradación lo que sería benéfico para la

estabilidad del puente desde el punto de vista de la socavación o en

situación de equilibrio. Degradación se refiere al descenso o socavación

del lecho del cauce debido al déficit en el suministro de sedimentos

desde aguas arriba. El fenómeno opuesto es la agradación, la cual se

refiere a la sedimentación de materiales erodados del cauce o de la

cuenca en sectores aguas arriba de un cruce.

Agradación del cauce.

Sedimentación en un

tramo del río de

materiales erodados del

cauce o de la cuenca.

2.- Socavación por migración lateral de la corriente.

La migración lateral del cauce principal de la corriente ocurre dentro de

las zonas bajas inundables y puede afectar la estabilidad de pilas,

estribos y las zonas de aproximación, o alterar la socavación total al

cambiar el ángulo de ataque del flujo sobre las estructuras.

En ríos meándricos, el cauce se mueve tanto lateral como

longitudinalmente hacia aguas abajo, debe ser tenido en cuenta en la

construcción de puentes en curvas del río y en el diseño de sistemas de

protección.

Los puentes son estructuras estáticas, que fijan la corriente en un lugar

en tiempo y en espacio.

Es difícil anticipar cuando y cómo un cambio en el cauce va a ocurrir ya que puede ser

gradual en el tiempo o ser el resultado de una creciente. Tampoco es fácil de predecir

la dirección y la magnitud del movimiento. Las fotografías aéreas son muy útiles para

evaluar estos cambios a través del tiempo. Es importante, al menos, considerar

cambios potenciales en el cauce a la hora de diseñar nuevos puentes o proyectar

medidas de control para puentes existentes.

Los factores que afectan la

migración lateral de un

cauce y la estabilidad de

un puente son:

• Geomorfología de la

corriente

• Localización del

ponteadero

• Características del flujo

• Características del

material del lecho y las

bancas

3.- Socavación general.

Es el descenso generalizado del fondo del río como consecuencia de una

mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos

del lecho en suspensión durante crecientes. Ocurre a todo lo largo del río

y no necesariamente se debe a factores humanos como la construcción

de un puente o de otra estructura.

La mas común es debida a la contracción del flujo que ocasiona la

remoción de material a través de todo o casi todo el ancho del cauce por

lo que si los métodos de cálculo de la socavación general se aplican para

la sección de un puente, se está considerando incluido el efecto de la

contracción del flujo y no deben duplicarse los efectos.

La socavación general difiere de la socavación a largo plazo

(permanente) puesto que al ocurrir durante crecientes se considera de

carácter transitorio o cíclico.

a) Socavación por contracción.

La socavación por contracción es causada principalmente por la

disminución del ancho del flujo ya sea por causas naturales o

artificiales o por el cambio en el control aguas abajo de la elevación de

la superficie del agua. La causa mas común de socavación por

contracción es la reducción de la sección del flujo por los terraplenes

de acceso al puente y en menor grado por las pilas que bloquean

parte de la sección recta.

Una disminución en la sección mojada implica aumento de la

velocidad media del agua y del esfuerzo cortante. Por lo tanto, se

presenta aumento en las fuerzas erosivas en la contracción

ocasionando que la cantidad de material del lecho que es removido

supere al que es transportado hacia el sitio.

El aumento en velocidad produce el incremento en el transporte de

material haciendo que el nivel del lecho descienda, que la sección

mojada aumente, por lo que la velocidad y el esfuerzo cortante

nuevamente disminuyen, haciendo que el equilibrio del río se vaya

restableciendo con el tiempo. Esta situación de equilibrio se da cuando el

material que es removido es igual al material que es transportado hasta

el sitio en consideración.

Otros factores que causan socavación por contracción son:

• Contracciones naturales de la corriente.

• Zonas de aproximación al puente que obstruyen las planicies de inundación.

• Islas o barras de sedimentos en el puente, aguas arriba o aguas abajo.

• Acumulación de basuras o hielo.

• Crecimiento de vegetación en el cauce, en las bancas, o en la zona de inundación.

• Flujo a presión en el puente.

b) Otras causas de socavación general.

Otras condiciones de socavación general resultan de las características

relacionadas con la corriente (recta, meándrica o entrenzada), controles

variables del flujo aguas abajo, flujo en codos, confluencias y otros

cambios que causen degradación del cauce.

Algunas condiciones que producen socavación general están

asociadas con particularidades de la morfología del cauce como

cauces entrenzados que tendrán huecos de socavación mas profundos

cuando dos cauces se unen aguas debajo de una isla. También, un

puente situado aguas arriba o aguas debajo de una confluencia puede

experimentar socavación general debido a condiciones cambiantes del

flujo en el río principal o en los tributarios. El caso mas crítico es

cuando se presenta el nivel mas bajo del agua hacia aguas abajo del

puente.

4.- Socavación local.

Se refiere a la remoción del material que circunda pilas, estribos, diques o

terraplenes de acceso a un puente. Está causada por el cambio de

dirección de las líneas de corriente, la turbulencia, la aceleración del flujo

y los vórtices resultantes inducidos por la obstrucción al flujo.

a) Socavación local en pilas.

El mecanismo que produce la socavación está asociado a la separación

tri-dimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vórtice

periódico al pie de ella, (Dargahi, B. 1990). La acumulación de agua hacia

aguas arriba de la obstrucción produce una especie de onda en la

superficie y un flujo vertical hacia abajo que crea un fuerte gradiente de

presiones lo que ocasiona separación del flujo, como consecuencia de lo

cual se origina un sistema de vórtices al pie de la pila llamados vórtices de

herraduras que son los principales causantes de la socavación.

El flujo hacia arriba

combinado con los

vórtices de herradura

que se forman en la

base de la pila

remueven el material

del lecho y si la tasa

de transporte de

sedimento desde la

zona de obstrucción

es mayor que el

aporte de sedimentos

proveniente de aguas

arriba, se crea el

hueco de socavación.

El vórtice de herradura se extiende hacia aguas abajo de la pila

hasta que pierde su identidad al confundirse con la turbulencia

general del flujo. B. W. Melville (1975) describió los vórtices con su

centro de bajas presiones como si fueran máquinas aspiradoras.

La separación del flujo a los lados de la pila crea otros vórtices más

débiles, llamados vórtices de estela, que también se trasladan hacia

abajo e interactúan con los vórtices de herradura haciendo que el

lecho oscile lateral y verticalmente. La influencia de estos vórtices

cesa rápidamente a medida que se alejan de la pila hacia aguas

abajo. Por esto, aguas abajo de la pila generalmente se presenta

sedimentación, (Raudkivi, A. J., 1986). Indicio de la existencia de

vórtices de estela es la presencia de material orgánico muy liviano

que tiñe las aguas de color café.

b) Socavación local en estribos.

Se piensa que está afectada por los mismos fenómenos que causan la

socavación local en pilas como son separación del flujo y vórtices de herradura

que remueven partículas localmente. La socavación local se produce en los

estribos que obstruyen el paso del agua. Esta obstrucción forma un vórtice de

eje horizontal que empieza en la parte aguas arriba y corre a lo largo del pie de

la estructura y un vórtice de eje vertical al final de la misma. El vórtice al pie del

estribo es muy similar al vórtice de herradura de las pilas y el vórtice al final es

similar a los vórtices de estela más débiles que se forman aguas abajo.

CÁLCULOS DE LA SOCAVACIÓN

1.- SOCAVACIÓN GENERAL DEL CAUSE.

Para fines de estimación con el objetivo de diseño de puentes es usual adoptar un

criterio conservador que cosiste en calcular la máxima profundización posible del

lecho, bajo una condición hidráulica dada.

La máxima profundización del cauce ocurre cuando se alcanza la condición de

transporte crítico, donde la velocidad de flujo se reduce a tal punto en que la

corriente no puede movilizar y arrastrar más material del lecho y a su vez no existe

transporte de material desde aguas arriba.

Por lo tanto, cuando se produce la avenida, la sección geométrica del cauce se

modifica dando lugar a una nueva sección, la cual obviamente está socavada,

donde el lecho queda en condiciones de arrastre crítico o de transporte incipiente.

La condición para que haya arrastre en las partículas en un punto del fondo es que

la velocidad media de la corriente sobre ese punto, denominada velocidad real, “vr”,

sea más que la velocidad media que se requiere para que el material existente en

tal punto sea arrastrado, denominado velocidad erosiva “ve”.

1.1.- Socavación general para suelos cohesivos en cauces definidos con

rugosidad uniforme.

La magnitud de la erosión en suelos limosos plásticos y arcillosos depende

principalmente del peso volumétrico del suelo seco. En este caso, el valor de la

velocidad erosiva que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo,

está dado por la expresión:

𝑣𝑒 = 0.60𝛾𝑑1.18𝛽𝐻𝑠

𝑥 (𝑚 𝑠)

Donde:

ϒd = peso volumétrico del material seco que se encuentra a la profundidad Hs, en

ton/m3.

β = coeficiente que depende de la frecuencia con que se repite la avenida que se

estudia y cuyo valor está consignado en la tabla A-3.2

Hs = tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer qué valor de “ve” se

requiere para arrastrar y levantar al material, en m.

x = exponente variable que está en función del peso volumétrico ϒd del material seco

en ton/m3, el cual se encuentra consignado en la tabla A-3.3

La variación de la velocidad media real de la corriente vr, en función de la

profundidad y para cada punto de la sección puede ser obtenida analizando

una franja vertical de la sección transversal, como la que se muestra en la

figura.

La hipótesis que se formula para realizar el cálculo es que el gasto en cada franja

permanece constante mientras dura el proceso erosivo, con lo cual la velocidad real

de la corriente es:

𝑣𝑟 =𝛼𝐻𝑜

5/3

𝐻𝑠

Donde:

Ho = profundidad antes de la erosión (tirante inicial).

Hs = profundidad después de la erosión.

𝛼 =𝑄𝑑

𝜇𝐵𝑒𝐻𝑚5/3

Qd = gasto de diseño

Be = ancho efectivo de la superficie del líquido en la sección transversal; es decir,

del ancho total se descuenta el ancho de las pilas cuando el ángulo de incidencia de

la corriente con respecto al eje de la pila es de 0°.

Hm = tirante medio de la sección, el cual se obtiene dividiendo el área hidráulica

efectiva entre el ancho Be.

μ = coeficiente de contracción, tabla A-3.4

La erosión se detendrá cuando a una profundidad cualquiera alcanzada, el valor

de “vr” velocidad de la corriente capaz de producir arrastre y “ve” velocidad que

se necesita para que el fondo se degrade, lleguen a ser iguales.

Ve = vr es la condición de equilibrio.

1.2.- Socavación general para suelos no cohesivos en cauces definidos con

rugosidad uniforme.

En el estudio de la profundidad de la erosión en suelos formados por granos gruesos

(arenas, gravas finas, etc.), “vr” tiene la misma expresión que el caso anterior.

En cambio “ve” está expresada como:

𝑣𝑒 = 0.68𝛽𝑑𝑚0.28𝐻𝑠

𝑥 (𝑚 𝑠)

Donde:

Hs = tirante para el que se desea conocer ve en metros.

x = exponente variable que depende del diámetro del material y que se encuentra en la

tabla A-3.3

dm = diámetro medio (en mm) de los granos del fondo obtenido según la expresión:

𝑑𝑚 = 0.01Σ𝑑𝑖𝑝𝑖 En la cual:

di = diámetro medio, en mm, de una fracción en la curva granulométrica de la muestra

total que se analiza.

pi = peso como porcentaje de esa misma porción, comparada respecto al peso total de la

muestra. Las fracciones escogidas no deben necesariamente ser iguales entre sí.

La condición de equilibrio para la socavación será también:

vr = ve

1.3.- Cálculo de la profundidad de la socavación en suelos

homogéneos.

En secciones homogéneas puede calcularse fácilmente la profundidad

esperada de socavación dentro de la Teoría de Lischtvan-Lebediev a

partir del análisis hecho en los dos párrafos anteriores.

a) Suelos cohesivos. Por condición de equilibrio, se tiene la siguiente

ecuación.

𝐻𝑠 =𝛼𝐻𝑜

5/3

0.60𝛽𝛾𝑑1.18

11+𝑥

Hs es el tirante total que se produce; al restarle el tirante inicial, Ho,

proporciona la socavación esperada.

b) Suelos formados por materiales no cohesivos. Similar al

caso anterior.

𝐻𝑠 =𝛼𝐻𝑜

5/3

0.68𝛽𝑑𝑚0.28

11+𝑥

Conocido el perfil transversal de la sección bajo el puente antes

del paso de la avenida, se escogen en él algunos puntos en cuya

verticales se desea conocer a cuánto alcanza la profundidad

erosionada. Uniendo éstos se tiene el perfil de socavación.

1.4 Cálculo de la profundidad de la socavación en suelos no

homogéneos.

Cualquiera sea la estratificación que se tenga, la profundidad de

equilibrio, arriba de la cual los granos son arrastrados físicamente

por el agua, se puede obtener analíticamente a base de tanteos.

Escogido un punto Pi para el cual se desea calcular la posible

socavación y conocida la estratigrafía bajo la sección, se procede por

estratos a aplicar las fórmulas anteriores según sea el material de que

estén formados. El cálculo se inicia para el manto superior y se

continúa hacia capas más profundas. En el primer estrato en donde

se cumpla que la profundidad Hs calculada cae dentro de él, esa “Hs”

es la buscada y se suspenden los tanteos. Esto mismo se repite para

varios puntos de la sección, que al unirlos darán el perfil teórico del

fondo una vez que se ha producido la socavación.

2.- SOCAVACIÓN LOCAL EN LOS PILARES DE LOS PUENTES.

Cuando un puente cruza un río en una zona en donde no es factible

alcanzar un manto rocoso en el que apoyar las pilas y estribos, el

principal problema que se presenta tanto en proyecto como en

mantenimiento, es el conocimiento de las erosiones locales que sufre el

fondo del cauce, que pueden ser de tal magnitud que lleguen a alcanzar

la base de las pilas y provocar la falla total de la estructura.

La mayoría de las ecuaciones son aplicables para cauces aluviales y no

consideran la posibilidad de que materiales más gruesos y de mayor

peso, presentes en el lecho, acoracen el hoyo que se produce por la

socavación, lo que limitaría su profundidad. En 1965, Breusers propuso

que la profundidad de socavación era de 1.4 veces el ancho del pilar.

Recientemente, otros investigadores como B. W. Melville, Sutherland y

Chang, han reportado que la socavación local es aproximadamente 2.4

veces el ancho del pilar para el caso de pilares circulares.

2.1.- Método de Laursen y Toch.

Se distinguen dos casos generales: uno cuando la corriente incide

paralelamente al eje de las pilas y otro cuando forma un cierto ángulo

con el mismo.

Cuando la mayor dimensión transversal de la pila está alineada con el

flujo, la socavación puede expresarse por:

So = K1K2b

Donde:

So = profundidad de la socavación, a partir del fondo.

K1 = coeficiente que depende de la relación tirante entre ancho de la

pila y que se encuentra en la gráfica de la figura A-III.5

K2 = coeficiente que depende de la forma de la nariz de la pila y que

se encuentra en la tabla A-3.7

b = ancho de la pila.

En el caso de incidir oblicuamente la corriente y formar un ángulo ø con el

eje de la pila, la socavación puede determinarse con la expresión:

So = K1K3b

Donde:

K3 = coeficiente que depende del ángulo ø y de la relación a/b, el cual se

determina con la ayuda de la figura A-III.6

2.2.- Método de Yaroslavtziev.

Se distinguen dos casos, uno cuando el fondo del cauce está formado por

materiales no cohesivos y otro cuando está formado por materiales cohesivos.

a) Suelos granulares sin cohesión.

La expresión propuesta para la socavación local es:

𝑆𝑜 = 𝐾𝑓𝐾𝑣 𝑒 + 𝐾𝐻𝑣′2

𝑔− 30𝑑

Donde: So = profundidad de socavación, en m.

Kf = coeficiente que depende de la forma de la nariz de la pila y del ángulo de

incidencia entre la corriente y el eje de la misma. Ver figura A-III.7 (a, b y c).

Kv = coeficiente definido por la expresión:

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑣 = −0.28 𝑣′2 𝑔𝑏1 3

v' = velocidad media de la corriente aguas arriba de la pila, después de producirse la

erosión general, en m/s.

g = 9.81 m/s2

b1 = proyección de un plano perpendicular a la corriente, de la sección de la pila.

Cuando el ángulo de incidencia vale 0°, b1 es igual al ancho b de la pila.

e = coeficiente de corrección, cuyo valor depende del sitio en donde están colocadas las

pilas; vale 0,6 si se encuentran en el cauce principal y 1.0 para las construidas en el

cauce de avenidas.

KH = coeficiente que toma en cuenta la profundidad de la corriente, definido por la

expresión:

𝑙𝑜𝑔𝐾𝐻 = 0.17 − 0.35𝐻 𝑏1

H = tirante de la corriente frente a la pila. Obtenido al presentarse una avenida después

de aplicar lo dado en la socavación general.

d = diámetro en m de las partículas más gruesas que forman el fondo y está

representado aproximadamente por el d85 de la curva granulométrica.

Cuando el material del fondo tiene un diámetro menor de 0.5 cm, se recomienda no

considerar el segundo término de la fórmula.

El valor del ángulo de incidencia ø entre la corriente y las pilas es tomado en cuenta en

el valor de b, tal y como puede observarse en la figura A-III.7, el cual, a su vez, interviene

en la valuación de Kh y Lv. Además ø afecta directamente al valor del coeficiente Kf,

excepto en las pilas rectangulares y circulares.

La fórmula puede conducir a errores en los casos en que la relación H/b1 sea menor de

2 y la pila esté inclinada respecto a la corriente.

b) Suelos cohesivos.

La expresión utilizada es la misma que para suelos granulares y permite dar un

resultado aproximado mediante la apreciación de la resistencia a la erosión del

suelo cohesivo en comparación con el suelo granular. Este es tomado en cuenta

en el segundo término (30d) de la ecuación anterior en donde se considera un

diámetro “d”, equivalente para los suelos cohesivos tal y como se muestra en la

tabla A-3.8

3.- Socavación al pie de estribos.

El método dado por K. F. Artamonov permite estimar no sólo la profundidad de

socavación al pie de estribos, sino además al pie de espigones. Esta erosión depende

del gasto que teóricamente es interceptado por el espigón, relacionado con el gato total

que escurre por el río, del talud que tienen los lados del estribo y del ángulo que el eje

longitudinal de la obra forma con la corriente. El tirante incrementado al pie de un

estribo medido desde la superficie libre de la corriente, está dada por:

𝑆𝑇 = 𝑃𝑎𝑃𝑞𝑃𝑅𝐻𝑜

Donde:

Pa = coeficiente que depende del ángulo α que forma el eje del espigón con la

corriente, como se indica en la figura A-III.14; su valor se puede encontrar en la tabla A-

3.9

Pq = coeficiente que depende de la relación Q1/Q, en que Q1 es el gasto que

teóricamente pasaría por el lugar ocupado por el estribo si éste no existiera y Q, el gato

total que escurre por el río. Su valor puede encontrarse en la tabla A-3.10

PR = coeficiente que depende del talud que tienen los lados del estribo, su valor puede

obtenerse en la tabla A-3.11

Ho = tirante que se tiene en la zona cercana al espigón antes de la erosión.

Lo anterior se aplica en forma semejante en el caso de espigones.

Únicamente es necesario añadir que en el caso de tener espigones

construidos en ambas orillas y unos frente a otros, ST se puede reducir a un

75%. Es decir, la expresión anterior puede escribirse como:

𝑆𝑇 = 0.75𝑃𝑎𝑃𝑞𝑃𝑅𝐻𝑜

4.- Métodos para reducir la socavación.

a) Protección contra la socavación local al pie de la pila.

De preferencia el boleo debe ser todo de un diámetro uniforme y si eso no es

posible, el diámetro mínimo debe ser mayor que el especificado en cada caso

(Tabla A-3.12).

La protección tendrá que estar formada por un mínimo de tres capas, ya que

de lo contrario el material del fondo es extraído entre los huecos y el cono

erosionado se produce de la misma manera. El espesor de la protección no

debe ser menor que el ancho de la pila.

Con el fin de no reducir el área hidráulica útil de la sección transversal bajo

el puente se recomienda colocar el boleo bajo el nivel inferior que puede

alcanzarse durante la socavación general.

Esta protección sirve cualquiera que sea el ángulo de incidencia de la

corriente. Cuando se tiene la certeza que el ángulo de incidencia es de 0° se

puede colocar la protección únicamente en el frente de la pila. Cuando la

corriente incide con cualquier ángulo y por cualquier lado, hay que rodear a

la pila con el pedraplén. A los lados de la pila en su parte central se ha visto

que se puede disminuir la profundidad de protección a la mitad del ancho de

la pila.

b) Protección contra la socavación al pie de estribos.

Para el caso de los estribos se puede utilizar un pedraplén en forma análoga

descrita para las pilas, aunque existe una mejor solución, que consiste en

construir espigones que orienten el flujo del agua, encauzándola de manera que

no produzca erosión.

PROBLEMA.

En un río cuyo sub suelo bajo el cauce presenta la estratigrafía mostrada

en la figura, se pretende construir un puente. Las características de éste

se indican en la misma figura.

Los datos hidráulicos, en el sitio del cruce, son los siguientes:

Qd = gasto de diseño = 1370 m3/seg.

v = velocidad = 2.3 m/seg.

Tr = periodo de retorno = 50 años.

En la figura está indicada la elevación del NAME correspondiente a los

datos hidráulicos. El eje del puente es normal a la dirección de la

corriente.

Se pide calcular la magnitud de la socavación general en el cauce y la

magnitud de la socavación local en las pilas del puente.

a) Socavación general.

Se empleará el criterio de Lischtvan-Levediev.

a.1) Estrato de arena fina poco limosa, de baja plasticidad, dm=0.7mm.

Suelos no cohesivos:

𝐻𝑠 =𝛼𝐻𝑜

5/3

0.68𝛽𝑑𝑚0.28

11+𝑥

Hs=tirante alcanzado considerando la socavación, en m.

Ho=tirante antes de la erosión, en m.

𝛼 =𝑄𝑑

𝜇𝐵𝑒𝐻𝑚5/3

Área hidráulica:

𝐴 =𝑄𝑑𝑣

= 595.7 𝑚2

Be=ancho efectivo=112m.

Hm=tirante medio=𝐴

𝐵𝑒= 5.32𝑚

μ=coeficiente de contracción=0.98 (Tabla A-3.4 con claro entre dos pilas de

37m y v=2.3m/s).

Con estos datos: α=0.769

β=0.97 (Tabla A-3.2 para Tr=50 años, con 1/50=2% de probabilidad).

dm=0.7mm

1

1+𝑥=0.71 (Tabla A-3.3, suelo no cohesivo con dm=0.7mm)

Por lo tanto:

𝐻𝑠 =0.769𝐻𝑜

1.667

0.68 ∗ 0.97 ∗ 0.70.28

0.71

= 1.288𝐻𝑜1.667 0.71

Para conocer el perfil probable de socavación a lo largo del cauce, para la

ecuación anterior se proporcionan valores a Ho correspondientes a

diferentes puntos, así:

La magnitud de la socavación general Sg se obtiene restando Ho de Hs. El

perfil de la socavación aparece dibujado bajo el nombre de tanteo (a.1) en

la figura.

Se observa que la socavación alcanza al estrato de arcilla, por lo que será

necesario calcular la socavación en él.

Ho(m) Hs(m) Sg(m)

2.8

4.8

6.8

3.0

4.05

7.66

11.57

4.39

1.25

2.86

4.77

1.39

a.2) Estrato de arcilla de alta plasticidad, de consistencia blanda,

ϒd=0.9ton/m3.

Para suelos cohesivos:

𝐻𝑠 =𝛼𝐻𝑜

5/3

0.60𝛽𝛾𝑑1.18

11+𝑥

𝛼 =𝑄𝑑

𝜇𝐵𝑒𝐻𝑚5/3

1

1+𝑥=0.68 (Tabla A-3.3, suelo cohesivo con ϒd=0.9ton/m3)

Luego:

𝐻𝑠 =0.769𝐻𝑜

1.667

0.60 ∗ 0.97 ∗ 0.91.18

0.68

= 1.496𝐻𝑜1.667 0.68

Dando diferentes valores a Ho, se obtiene Hs y Sg.

En la figura se presentan estos resultados con la denominación de

tanteo (a.2).

El perfil de socavación general Sg en el cauce, está indicado en la

figura.

Ho(m) Hs(m) Sg(m)

2.8

4.8

6.8

3.0

4.22

7.78

11.55

4.57

1.42

2.98

4.75

1.57

b) Socavación local.

Para efectos de cálculo, se supone que la socavación local en las pilas

ocurre después de la general. En estas condiciones, se calculará la

socavación local en el depósito de arcilla de alta plasticidad, empleando

el método de Yaroslavtziev.

La socavación local So está dada por la fórmula:

𝑆𝑜 = 𝐾𝑓𝐾𝑣 𝑒 + 𝐾𝐻𝑣′2

𝑔− 30𝑑

Kf=12.4 coeficiente que depende, en general, de la forma de la nariz de

la pila y del ángulo de incidencia entre la corriente y el eje de la misma.

(Fig. A-III 7, pila rectangular, ángulo de incidencia = 0).

Kv = 0.73 (con b1=3m, v’=1.82m/s, g=9.81m/s2). Coeficiente que es

definido por la expresión:

𝑙𝑜𝑔𝐾𝑣 = −0.28 𝑣′2 𝑔𝑏1 3

v'=velocidad media de la corriente aguas arriba de la pila, después de

producirse la erosión general, en m/s.

Para obtener la velocidad v’ correspondiente al área hidráulica

aumentada A’, se calcula ésta en el perfil del cruce, y v’ valdrá:

𝑣′ =𝑄𝑑𝐴′

=1370

753.8= 1.82 𝑚/𝑠

b1= proyección en un plano perpendicular a la corriente, de la sección

de la pila. Cuando el ángulo de incidencia vale 0, b1 es igual al ancho b

de la pila, es decir, b1=b=3m.

e= coeficiente de corrección, cuyo valor depende del sitio donde están

colocadas las pilas = 0.6 (pilas construidas en el cauce principal).

KH= coeficiente que toma en cuenta la profundidad de la corriente, definido

por la expresión:

𝑙𝑜𝑔𝐾𝐻 = 0.17 − 0.35𝐻 𝑏1 = 0.08

H= tirante de la corriente frente a la pila = 11.60m

d= diámetro equivalente para suelos cohesivos = 0.01 m (Tabla A-3.8, con

ϒd=0.9ton/m3.

Sustituyendo valores:

𝑆𝑜 = 12.4 ∗ 0.73 0.6 + 0.081.822

9.81− 30 ∗ 0.01 = 2.4 𝑚

Es decir, la socavación local en las pilas del puente será del orden de 2.4m.