t Estudios Basicos en Puentes

8/3/2019 t Estudios Basicos en Puentes

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PARTE IV. SOCAVACIN EN PUENTES

2. INFORMACIN BSICA UNIVERSIDAD DEL CAUCA

2.i

CAPITULO 2

INFORMACIN BSICA PARA ESTUDIOS DE SOCAVACIN EN PUENTES

2 INFORMACIN BSICA PARA ESTUDIOS DE SOCAVACIN EN PUENTES ...............2.12.1 Estudios bsicos de oficina y de campo ..................................................................................... 2.2

2.1.1 Estudios topogrficos ........................................................................................................... 2.22.1.2 Estudios hidrolgicos ........................................................................................................... 2.32.1.3 Estudios hidrulicos.............................................................................................................. 2.42.1.4 Estudios de suelos................................................................................................................. 2.5

2.2 Determinacin de caudales de diseo ........................................................................................ 2.62.3 Hidrulica en el sitio del cruce con un puente .......................................................................... 2.8

2.3.1 Tipos de flujo........................................................................................................................ 2.92.3.2 Modelacin hidrulica ........................................................................................................ 2.13

INDICE DE FIGURASFigura 2.1 Tipos de flujo en la zona de un puente. .................................................................................... 2.9

Figura 2.2 Estrechamiento de un cauce. Atala C. G. 1979....................................................................... 2.10

Figura 2.3 Tipos de flujo bajo en la zona del puente. Atala C. G. 1979. ................................................. 2.11

Figura 2.4 Seccin transversal en la zona del puente............................................................................... 2.15

Figura 2.5 Curva de calibracin de un ro. ............................................................................................... 2.16Figura 2.6 1) Seccin transversal en el puente. 2) Seccin transversal aguas arriba. ............................. 2.18

Figura 2.7 Perfil longitudinal. ................................................................................................................. 2.18

Figura 2.8 Ubicacin de las secciones transversales. Medina, E. y Castillo J.,1997................................ 2.20

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Composicin ideal de datos para evaluacin de socavacin ..................................................... 2.1

Tabla 2.2 Perodos de retorno para diseo de puentes en funcin del riesgo y de la vida til. Monforte O.,A. M. y Galindo G., L. 1989. ..................................................................................................................... 2.7

Tabla 2.3 Modelos reconocidos de 1D, 2D y 3D. Universidad del Cauca CRC- INGEOMINAS,(2005). ............................................................................................................................................ 2.15


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2.1

2 INFORMACIN BSICA PARA ESTUDIOS DE SOCAVACIN EN PUENTES

Siempre resulta complejo recolectar la informacin necesaria para hacer estudios de socavacinen puentes ya sea que estn construidos o por construir, y por lo general, nunca se est satisfechocon la suficiencia y calidad de ella. Es necesario recolectar informacin de oficina y de campodesde el punto de vista topogrfico, hidrolgico, hidrulico y de suelos, la que se resumeidealmente en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Composicin ideal de datos para evaluacin de socavacin

Duracin Objetivo Descripcin

Datoshistricos

Cauce

Fotografas areas Mapas topogrficos Fotografas del cauce principal y de las laderas Secciones transversales (en lo posible, dos aguas arriba ydos aguas abajo) Direccin de la corriente en aguas altas y bajas Datos hidrolgicos e hidrulicos (caudal, rea mojada,velocidad, niveles del agua, gradiente hidrulico) Ubicacin y descripcin de huecos de socavacin Sondeos, estratigrafas, granulometras Factores externos que pueden afectar la estabilidad del

puente

Puente

Geometra de la estructura del puente Dimensiones de pilas y estribos Profundidad de cimentacin Ubicacin y descripcin de medidas de control Reportes de inspecciones previas incluyendo fotos

Tiempo realCauce

Secciones transversales (en lo posible, dos aguas arriba ydos aguas abajo) Elevacin del lecho en la zona del puente para determinarhuecos de socavacin Muestras de sedimentos de lecho y en suspensin (pesoespecfico, granulometra, peso volumtrico, velocidad decada). Fotografas del cauce y de las bancas Presencia de basuras

Puente Caudal, rea mojada, velocidad, gradiente hidrulico Velocidad y niveles del agua a lo largo del cauce Direccin de la corriente en aguas altas y bajas


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2.22.1 Estudios bsicos de oficina y de campoPara realizar el diseo de un puente y/o su evaluacin con relacin a socavacin, se deben

adelantar estudios bsicos con el fin de conocer las caractersticas topogrficas, hidrolgicas,hidrulicas y de suelos en la zona de emplazamiento de la estructura. El estudio integral de un rodebe comprender el entendimiento de su geomorfologa, ya que cambios en su profundidad,ancho y alineamiento, en forma sbita o progresiva, pueden alterar la estabilidad de un puente,(Ver Parte I sobre Geomorfologa Fluvial, Parte II sobre Transporte de Sedimentos y Parte IIIsobre Procesos Fluviales).

2.1.1 Estudios topogrficosLos estudios topogrficos incluyen los siguientes pasos:

Planificacin general del estudio. Se deben establecer las caractersticas del trabajo de campoen lo referente a: longitud total del ro en que se van a levantar las secciones transversales y suespaciamiento, errores permitidos, nomenclatura a usar, orden en la toma de las secciones, etc.

Generacin del abscisado longitudinal. Se debe realizar un levantamiento altimtrico yplanimtrico con poligonales cerradas sobre la orilla del ro tributario desde donde se amarrarnlas secciones transversales. Referenciacin de las secciones transversales. Se debe hacer elamarre altimtrico mediante nivelacin de precisin, dejando BMs al inicio de cada seccintransversal. En muchos casos de estudios de socavacin, basta con poligonales abiertas.

Toma de las secciones transversales. El levantamiento de las secciones transversales se

realizar desde aguas abajo hacia aguas arriba, cubriendo una distancia conveniente a lado y ladode la llanura de inundacin sobre ambas mrgenes del cauce o hasta los puntos mas altos dediques, si existen. Las secciones transversales estarn debidamente referenciadas en sus extremosal sistema de coordenadas IGAC y amarradas a la poligonal; la separacin entre seccionesdepende de cada proyecto. Se requieren mnimo tres secciones para caracterizar una curva. Sedeben relacionar los niveles del agua, a banca llena y de ser posible, niveles de aguas mximas.Con la finalidad de definir el gradiente hidrulico existente, se establecer la diferencia relativade nivel entre cada una de las secciones mediante el traslado e identificacin de los niveles. Sedetallarn las restricciones y obstculos al flujo representadas en puentes, viaductos, box-culverts, necesario para definir los puntos de control hidrulico. En los sitios en donde el nivel deagua no permite el levantamiento topogrfico convencional como estacin total y nivel de

precisin, las secciones debern ser obtenidas mediante la utilizacin de una eco-sonda. Si el puente est construido, debe contarse con los planos de construccin y hacerse ellevantamiento de la estructura existente dando especialmente nfasis a la nivelacin de la losa yde los elementos de apoyo, tanto pilas como estribos.

Procesamiento de la informacin. Se requiere, segn corresponda en medio magntico eimpreso: carteras de apoyo de los levantamientos topogrficos; clculos de las poligonales ynivelaciones. Plano de localizacin general de todas las secciones. Secciones transversales.Tabla de coordenadas de puntos de cada seccin transversal. Informe escrito de eventualidadesen el desarrollo de la campaa de campo.


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2.3- Datos generales Nombre del ro. Nombre del camino y tramo. Ubicacin del cruce. Tipo de puente. Longitud y nmero de claros, elevacin de la rasante del puente, orientacin del puente,orientacin de las pilas. Ubicacin del rea de estudio a nivel macro. Documentos disponibles (mapas, fotografas areas, reportes de inspecciones previas). Informes de reconocimiento de la zona del ponteadero y de su cuenca por va terrestre y area.

- Secciones transversales

El levantamiento topogrfico se puede hacer, en el caso de puentes pequeos, mediante unapoligonal abierta tendida en una de las mrgenes del ro, que sirve de base para tomar lassecciones transversales y la batimetra en la zona del puente, as como las caractersticasgeomtricas de ste si ya est construido.

Secciones transversales del cruce inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del puente. Secciones transversales a una distancia del puente aproximadamente igual a una vez sulongitud total o donde se estime que el puente no interfiere mas sobre el flujo tanto hacia aguasabajo como hacia aguas arriba del cauce.

- Socavacin en puentes existentes

Alrededor de las pilas. A lo largo de los estribos.

- Presencia de depsitos de sedimentos Existencia de islas, barras, lagunas, esteros, cascadas, etc.

- Esquemas Elaboracin de esquemas detallados en planta y perfil de la zona del cruce indicando todos losdatos que a juicio del ingeniero sean relevantes para el estudio de la socavacin del puente.

2.1.2 Estudios hidrolgicosLos estudios hidrolgicos llevan a determinar el caudal de diseo por ser ste uno de losparmetros que ms influyen en la seleccin de la abertura del puente y en la evaluacin de lasocavacin. Algunos de los siguientes parmetros debern ser evaluados durante el estudio.

Informacin de estaciones hidrolgicas Estaciones limnimtricas o limnigrficas sobre el ro. Estaciones climatolgicas en la cuenca hidrogrfica. Estaciones para toma de datos de sedimentos.


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2.4

Caractersticas fisiogrficas de la cuenca hidrogrficaLa determinacin de las caractersticas fisiogrficas de la cuenca se hace sobre fotografas areasy planos topogrficos. rea y forma de la cuenca hidrogrfica hasta el sitio de cruce. Orientacin, forma y pendiente media de la cuenca. Tipo y uso del suelo en la cuenca. Red de drenaje.

Caudales, niveles y velocidades Caudal medio en el cauce. Caudal y fecha de las crecientes mximas extraordinarias. Caudal de diseo. Caudales, niveles y velocidades de creciente correspondientes a perodos de retorno tales como

100 aos (Q100), 500 aos (Q500) y el caudal que sobrepasara el puente (Qsp), (Ver Numeral 2.2).2.1.3 Estudios hidrulicosLo estudios hidrulicos llevan a determinar los parmetros necesarios para calcular y evaluar lasocavacin en puentes para lo que usualmente se requiere contar con informacin como lasiguiente:

Caractersticas hidrulicas del ro Tipo de ro (perenne, efmero, torrencial, aluvial). Configuraciones del lecho en cauces aluviales.

Tendencia a la sedimentacin o erosin del lecho a lo largo del tiempo. Afluentes y posibles remansos provocados por stos. Posible influencia de las mareas si el cruce se localiza cerca a la desembocadura del mar. Funcionamiento hidrulico probable de la corriente basndose en registros de aforo yentrevistas con los vecinos que den informacin sobre magnitud, duracin y frecuencia de lasavenidas, poca del ao y daos causados. Cauce suficiente para el paso de crecientes o si se desborda durante avenidas. Alineamiento del ro, estable o con tendencia a divagar. Direccin de la corriente con relacin al puente en pocas de flujos altos y bajos, lo quepermite junto con el estudio morfolgico del ro analizar las variaciones del cauce y la formacomo el flujo atacara a la estructura condicionando su ubicacin. Materiales de arrastre teniendo en cuenta su clasificacin y sus dimensiones. Tipo y dimensiones de cuerpos flotantes. Tendencia a degradacin o agradacin del cauce.

Descripcin de estructuras u obras de control prximas al sitio del puente Puentes (tipo, antigedad, elevacin de la rasante del puente, orientacin del puente,orientacin de las pilas, direccin de la corriente en pocas de avenidas, seccin transversal delcruce, comportamiento del puente ante crecientes). Presas (funcin, operacin del embalse, grado de regulacin). Obras de encauzamiento y proteccin contra la erosin.

Obras de encauzamiento y proteccin contra inundaciones.


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2.5 Obras de control de torrentes. Dragados. Corte de meandros. Otros proyectos por realizarse en la zona.

Clculos hidrulicosDeterminacin de parmetros hidrulicos: velocidad, profundidad del agua, rea mojada,permetro mojado, etc., Ver Numeral 2.3.

2.1.4 Estudios de suelosLos estudios de suelos pueden ser tan generales o detallados como el tipo de cauce lo requiera.Ros bien definidos y con lecho poco erosionable requieren poco detalle en la informacin, entanto que ros inestables en cauces indefinidos o trenzados, requieren que se preste la mximaatencin a los estudios geolgicos. Se necesita usualmente hacer perforaciones, apiques osondeos para determinar las condiciones de los suelos en la zona del puente.

Un informe geolgico para hacer estudios de cimentacin de un puente debe incluir informacinsobre:

Caractersticas geolgicas de la cuenca Perfiles estratigrficos Rocas existentes Disponibilidad de materiales de construccin

Materiales del lecho del cauce y su resistencia a la erosin. Profundidades de cimentacin de estructuras existentes en la vecindad.

Por otra parte, los parmetros mas importantes de los sedimentos del cauce que de una u otraforma intervienen en el clculo de las profundidades mximas de socavacin son: densidad ypeso especfico, velocidad de cada, distribucin granulomtrica, tamao, desviacin estndargeomtrica, peso especfico de la mezcla agua-sedimento en suspensin, viscosidad de la mezclaagua-sedimento en suspensin.

Los aspectos ms importantes para tener en cuenta en suelos cohesivos son el peso volumtricoseco y la resistencia al esfuerzo cortante, en tanto que en suelos granulares priman el peso y el

tamao de las partculas. Las muestras de sedimentos se busca tomarlas dentro y por fuera delhueco de socavacin para determinar si existe acorazamiento del cauce o en la zona de la pila.Tambin deben tomarse una o dos muestras de carga de lecho suspendida en el mismo sitiodonde se estn determinando las profundidades del agua. (Ver Parte II sobre Transporte deSedimentos).


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2.62.2 Determinacin de caudales de diseoEl caudal medio del ro corresponde usualmente al caudal con un perodo de retorno de por

ejemplo 2 aos o a una creciente frecuente que ha conformado el cauce principal y es muyprobablemente menor que el caudal de diseo. Este caudal no es representativo de condicionesextraordinarias de flujo ni podr ser el caudal de diseo para el puente.

Debe prestarse especial atencin a la determinacin del caudal de creciente pues es la base deldiseo hidrulico del puente y de la evaluacin de las profundidades de socavacin. Dichadeterminacin se hace de acuerdo al proyecto especfico teniendo en cuenta los siguientescriterios: tipo de obra, vida til de la obra, tiempo de retorno o frecuencia de la creciente,seguridad y economa.

El diseador de un puente siempre debe preguntarse qu resulta mas conveniente desde el punto

de vista econmico: cimentar la estructura a profundidades mayores, o el costo bsico del puenteasociado a un riesgo de falla especificado, (Laursen E, M., 1970). El tiempo de retorno incidenotoriamente en los costos, por lo tanto, este valor depende de la importancia que la obra tienedentro del proyecto vial y del riesgo permisible.

Para determinar el caudal de creciente en una cuenca en un punto determinado, existen muchosmtodos que incluyen parmetros tales como: rea, pendientes y longitud de la cuenca, tipo devegetacin, tipo de suelo, pluviogramas, distribucin espacial de lluvias, caudales mximos, etc.El uso de cualquiera de los mtodos depende del tamao de la cuenca, del tipo de estructura quese vaya a disear, pero sobre todo de la informacin disponible. Algunos de los mtodoscomnmente usados se pueden clasificar en: mtodos empricos, semi-empricos, probabilsticos,hidro-meteorolgicos, mtodos de seccin y pendiente.

Mtodos empricos: se usan para tener una idea preliminar sobre el gasto de diseo y si slo secuenta con informacin de algunas caractersticas fsicas de la cuenca. Ejemplos de estosmtodos son: envolventes de Creager, envolvente de Lowry, mtodo de Talbot.

Mtodos semi-empricos: consideran la precipitacin y caractersticas de la cuencahidrogrfica para la determinacin del caudal. El mtodo racional y el de Burkli-Ziegler sonejemplos de mtodos semi-empricos.

Mtodos hidro-meteorolgicos: se basan en la respuesta de la cuenca hidrogrfica ante unevento dado que se resume en la relacin precipitacin-escurrimiento-caudal. Los hidrogramas

unitarios son mtodos hidro-meteorolgicos.

Mtodos de seccin y pendiente: se debe escoger un tramo de ro con condiciones los mshomogneas posibles para estimar la pendiente media del cauce, el coeficiente de rugosidad deManning, el permetro mojado, el rea mojada y el radio hidrulico que corresponden a un nivelde creciente asumido (NAME).

Esta informacin permite aplicar la ecuacin de Manning y encontrar el caudal correspondiente.Su uso es conveniente para verificar datos o cuando no hay informacin de tipo hidrolgico, Ver

Numeral 2.3.


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2.7 Mtodos probabilsticos: se basan en suponer que los caudales mximos anuales aforados enuna seccin de un cauce son una muestra aleatoria de una poblacin de gastos mximos. Hay

varios mtodos probabilsticos en uso y la diferencia entre ellos es la forma de la distribucinprobabilstica que suponen tiene la poblacin. Ejemplos de estos mtodos son: valores extremostipo I o Gumbel, Log-Pearson tipo III, Hazen-Fuller-Foster, Levediev, Nash.

Los mtodos probabilsticos determinan el caudal dependiendo de un perodo de retorno el cualest ligado al riesgo aceptable para una determinada estructura. El riesgo aceptable depende dela importancia de la obra y de aspectos econmicos, sociales, tcnicos, polticos, ecolgicos,entre otros.

R

Tr

Vu

=

1 11

............................................................................................................ 2.1

R = riesgo de fallaTr = perodo de retornoVu = vida til de la obra

El perodo de retorno se define como el nmero de aos para que una creciente sea igualada oexcedida al menos una vez en promedio.

Tabla 2.2 Perodos de retorno para diseo de puentes en funcin del riesgo y de la vida til.Monforte O., A. M. y Galindo G., L. 1989.

Vida til del puente en aos [Vu]5 30 50 70 100

Riesgo deFalla R[%]

Perodo de retorno en aos [Tr]40 10 59 98 138 19650 8 44 73 101 14560 6 33 55 77 11080 4 19 32 44 6399 1.7 7 11 16 22

V. T. Chow, D. R. Maidment y L. W. Mays, (1988), indican como criterio general de diseo quese usen perodos de retorno entre 10 y 50 aos para puentes del sistema secundario de carreterasy entre 50 y 100 aos para puentes en el sistema principal de carreteras. Perodos de retorno en laprctica son: 50 aos para puentes pequeos, de 50 a 100 aos para puentes medianos y de 100 a500 aos para puentes grandes.

Dada la importancia de los puentes como parte de la infraestructura vial de un pas yconsiderando que la seguridad del usuario debe estar por encima de todo, para la evaluacin depuentes nuevos o ya construidos desde el punto de vista hidrulico y de socavacin, y sobre todo,cuando haya incertidumbre en la informacin hidrolgica disponible, resulta convenienteconsiderar perodos de retorno de 100 aos (Q100) y hacer chequeos para ver lo que ocurrira si se


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2.8presentan super-crecientes de 500 aos (Q500), o mayores, de forma que el puente seasobrepasado, (Qsp).

2.3 Hidrulica en el sitio del cruce con un puenteLa construccin de un puente implica en ocasiones que se invada parte del cauce con elconsecuente estrechamiento de su seccin transversal producindose cambios en la velocidad delflujo y en la pendiente hidrulica de la corriente en que se construye.

El estrechamiento del cauce por un puente resulta en luces ms pequeas que reducen costos deconstruccin, pero por otro lado, produce una prdida de energa que se traduce en sobre-elevacin de la superficie del agua hacia aguas arriba de la contraccin. A esta sobre-elevacin sele llama altura de remanso y debe tenerse en cuenta para calcular tanto la longitud como el claro

vertical del puente.

El remanso del flujo puede provocar inundaciones aguas arriba del puente con consecuenciasnegativas para los usos del suelo y otras actividades. En el sitio del estrechamiento se produce unaumento en la energa cintica del flujo que ocasiona socavaciones a veces excesivas en losapoyos del puente. El incremento en la energa potencial aguas arriba del puente ocasionavelocidades mayores en el estrechamiento aumentndose la capacidad de transporte del flujo. Lamayor capacidad de transporte se traduce en socavacin del fondo en el estrechamiento y en lascercanas. A medida que la socavacin contina, el rea hidrulica debajo del puente aumenta, yla velocidad y la resistencia al flujo decrecen resultando en una reduccin en el remanso. Estosignifica que la altura del remanso es menor si existe socavacin en el cauce. Sin embargo, elincremento de la seccin hidrulica ocurre algn tiempo despus de iniciado el proceso erosivo.Al principio de la avenida, el proceso erosivo ser nulo tenindose una seccin recta equivalentea una de lecho fijo. Por lo tanto, el caso ms desfavorable desde el punto de vista de lasocavacin en un puente resulta cuando se calcula el remanso considerando lecho fijo, caso en elque la altura del remanso ser mxima y el poder erosivo mayor.


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2.92.3.1 Tipos de flujoCuando se tienen condiciones de flujo libre en la zona del puente se dice que el flujo es bajo, entanto que el flujo alto se considera cuando la estructura llega a actuar a presin o como unvertedero, (Figura 2.1).

Flujo libre

A. FLUJOS BAJOSH

H

Flujo bajo compuerta Flujo en orificio

H

Flujo en vertedero

B. FLUJOS ALTOS

PuenteQ

A

nR I= 2 3 1 2/ /

Puente Puente

Q CdA g H = 2

Puente

Figura 2.1 Tipos de flujo en la zona de un puente.


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2.10

A) Flujos bajos

El siguiente enfoque es puramente terico pero es la mejor aproximacin desde el punto de vistahidrulico de lo que ocurre en el sitio del cruce de un ro con un puente cuando el flujo es bajo olibre, ya que no se cuenta con informacin suficiente de campo o de laboratorio para determinarlo que realmente ocurre en la prctica durante una creciente.

Las Figura 2.4 yFigura 2.5 presentan el efecto del estrechamiento de un cauce visto en planta yen perfil longitudinal, respectivamente. El flujo se reduce de un ancho B a un ancho b. La entraday la salida de la reduccin funcionan como una contraccin y una expansin, respectivamente.Las zonas A representan los terraplenes de acceso del puente que estrechan el cauce y por tantoproducen un efecto de remanso aguas arriba. Varias secciones se estudian tericamente a lo largode la zona de influencia de un puente.

Figura 2.2 Estrechamiento de un cauce. Atala C. G. 1979.

Seccin 0: seccin aguas arriba hasta donde influye el remanso.Seccin 1: seccin prxima al estrechamiento donde el agua comienza a acelerarse. Es la seccinque representa el mximo remanso; est situada a una distancia Xde los terraplenes de acceso.Seccin 2: seccin de ancho mnimo del flujo. El flujo se separa de las fronteras slidas siendo lacontraccin del flujo mayor que el ancho de la abertura.


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2.11

Figura 2.3 Tipos de flujo bajo en la zona del puente. Atala C. G. 1979.

Seccin 3: seccin con menor tirante de agua. Es donde empieza a ocurrir el retardo del flujo.Aguas abajo de la Seccin 3 se presentan remolinos de agua entre las fronteras slidas delterrapln y las laderas.Seccin 4: seccin aguas abajo hasta donde influye la contraccin del cauce. A partir de estaseccin se restablecen las condiciones de flujo uniforme.

Entre las Secciones 0 y 1, el flujo es gradualmente variado.


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2.12Entre las secciones 1 y 2 el flujo es rpidamente variado acelerado.

Entre las secciones 2 y 3 el flujo es como el que se producira al pasar por un orificio.

Entre las Secciones 3 y 4, el flujo es gradual o rpidamente variado retardado

En resumen, en la zona de un puente se pueden presentar cuatro situaciones de flujo cuandoexiste flujo libre a travs del puente tal como se ilustra en la Figura 2.3.

Flujo tipo AEste tipo de flujo se da cuando la superficie del agua a travs del puente es completamentesubcrtica y por lo tanto los tirantes de agua son siempre mayores que la profundidad crtica. Estees el caso ms frecuente en la prctica.

Flujo tipo BExiste cuando los perfiles son subcrticos o supercrticos. Para ambos perfiles, el flujo tipo Bocurre cuando los perfiles pasan por la profundidad crtica en la seccin contrada del puente.

Para un perfil supercrtico, el puente acta como un control ocasionando que la elevacin de lasuperficie del agua hacia aguas arriba est por encima de la profundidad crtica.

Flujo tipo B1Se caracteriza porque los tirantes de agua fuera de la seccin contrada siempre son mayores queel crtico, pasando el flujo por el tirante crtico en el estrechamiento. Por lo tanto, la superficie delagua hacia aguas arriba del estrechamiento, y por ende el remanso, se vuelven independientes delas condiciones aguas abajo de la contraccin.

Flujo tipo B2Este tipo de flujo presenta un pequeo salto hidrulico aguas abajo de la Seccin 3 debido a queel tirante normal del agua hacia aguas abajo es mayor que el tirante crtico a la salida delestrechamiento y a que el tirante en la Seccin 3 es menor que el tirante crtico. El flujo pasa desupercrtico en la Seccin 3 a subcrtico en la Seccin 4.

Flujo tipo C

En este caso, los tirantes de agua siempre son menores que el crtico. Tericamente, no sepresenta remanso para este tipo de flujo. La superficie del agua se altera en la zona adyacente alpuente sin extenderse su efecto ms all. El flujo supercrtico no es comn en la prctica aunquepuede ocurrir en cauces de montaa.


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2.14esto, es necesario realizar primero un proceso de calibracin en condiciones de rgimenpermanente y finalmente un anlisis de sensibilidad del modelo de los parmetros que seconsideren inciertos.

Modelos matemticos fluviales o de flujo libre: con las herramientas informticas existentes, lasimulacin o modelacin del comportamiento hidrulico y morfolgico de cauces aluviales es unrecurso de fcil utilizacin que proporciona buenos resultados para el anlisis de complejosproblemas que se presentan en el rea de la ingeniera fluvial. Muchas personas y organizacionespblicas y privadas de gobiernos de todo el mundo, universidades, institutos, centros, entre otros,se han esforzado en desarrollar teoras, modelos y herramientas que mejor modelen elcomportamiento de los ros aluviales. Sin embargo, en nuestro pas, estas tcnicas son recientes yse inunda el medio de incertidumbre e incredulidad.

En los ltimos aos, numerosos modelos en dos y tres dimensiones han sido desarrollados para la

prediccin del flujo en canales abiertos artificiales y naturales. Los ros aluviales de tipomendrico presentan corrientes secundarias que inducen los procesos de movimiento del lecho alo largo y ancho de la llanura de inundacin. Por lo anterior, la modelacin de este tipo desistemas es compleja y requiere sofisticadas tcnicas numricas, siendo necesario recurrir aexactos y robustos cdigos de computador que puedan detallar el comportamiento de lascorrientes principales y secundarias de los flujos a travs de las secciones transversales,permitiendo estimar el transporte de sedimentos y los cambios en el lecho.

La facilidad de simular los procesos hidrulico-morfolgicos, su dinmica y respuesta aestructuras invasoras, pasivas, temporales o permanentes del sistema, permitir estudiar conmejor detalle la estabilizacin de los ros y el impacto ambiental y ecolgico de la intervencin.En la Tabla 2.3 se relacionan algunos modelos reconocidos en el campo de la modelacin einvestigacin y otros comerciales de circulacin libre o licenciada para su aplicacin en estudiosde desarrollo gubernamental o privado.


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2.15Tabla 2.3 Modelos reconocidos de 1D, 2D y 3D. Universidad del Cauca CRC-INGEOMINAS, (2005).

ModelosUnidimensionales ModelosBidimensional ModelosTridimensionalHEC2HEC-RASRIVERCADISISMIKE 11WSPROHEC-6SEDIMODFLUVIAL-11

DAMBRKSOBEK

SMSSED2DRIVER 2DBRI-STARSG-STARSHYDRO2DERAM-2CCHE2D

DELFT 2D

SSIIM-CFDFLOW3DDELFT 3DCH3D-SEDTRISULA1

En la prctica, cuatro diferentes enfoques de modelacin hidrulica del flujo a travs del puentese pueden usar para determinar los parmetros necesarios para calcular socavacin: flujouniforme y una sola seccin transversal; flujo uniforme y dos secciones transversales; clculo dela profundidad del remanso usando mtodos empricos; flujo variado usando varias seccionestransversales, el cual es el mejor enfoque.

1) Modelacin hidrulica asumiendo flujo uniforme y una sola seccin transversal

Usualmente, la determinacin de los parmetros hidrulicos para hacer la evaluacin de unpuente con relacin a socavacin se hace por medio de mtodos simplificados que asumencondiciones de flujo uniforme y no consideran el efecto del remanso causado por la estructura, nila aceleracin del flujo al pasar por el puente.

La estructura del puente se superpone a la seccin transversal para tener en cuenta su influenciasobre los parmetros hidrulicos.

Figura 2.4 Seccin transversal en la zona del puente.

1TRISULA 1994. 3D Numerical simulation of turbulent shallow-water flow in square harbor trisula. Marco D. J. P. Bijvelds,1 C. Kranenburg,2and Guus S. Stelling3 26 / JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING / JANUARY 1999. Citado en Universidad del Cauca CRC-INGEOMINAS, (2005).


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2.16La ecuacin que se usa es la de Chezy con coeficiente de rugosidad de Manning. Elprocedimiento que se describe a continuacin se puede aplicar a la seccin transversal del ro cono sin puente.

Qn

AR S=1 2 3 1 2/ / [SI o, ST]............................................................................................... 2.2

Dos casos se van a considerar dependiendo de la informacin disponible:

a) Se conoce el caudal de estiaje (Qe) y el caudal de diseo (Qd) o el NAME

El proceso a seguir es el siguiente: Determinacin de la seccin transversal del cauce en poca de estiaje. Determinacin de la profundidad del agua (h) en poca de estiaje. Determinacin del permetro mojado de estiaje (P = f(h)). Determinacin del rea mojada de estiaje (A = f(h)). Determinacin del radio hidrulico (R =A/P = f(h)). Se afora el caudal de estiaje (Qe). El caudal se puede estimar por mtodos directos aplicando laecuacin de continuidad de la vena lquida, conocidos el rea mojada y la velocidad media de lacorriente. La velocidad se puede determinar por medio de molinetes, flotadores, o trazadores. Se determina el coeficiente de distribucin de gasto ().

=Q

AR

e2 3/ ........................................................................................................................ 2.3

Se considera constante para condiciones de estiaje y avenida. Con el coeficiente conocido, se determinan los caudales correspondientes a diferentesprofundidades del agua (h) incluyendo profundidades de creciente.

( )Q AR f h= = 2 3/ ............................................................................................................... 2.4

Se grafica la curva de calibracin que relaciona Q y h. Si el caudal de diseo (Qd)es conocido se determina elNAMEcorrespondiente. Si elNAMEes conocido, se determina el caudal de diseo (Qd) correspondiente.

Figura 2.5 Curva de calibracin de un ro.


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2.17b) Se conoce la pendiente del cauce y el caudal de diseo (Qd) o el NAME

Determinacin de la seccin transversal del cauce en poca de estiaje. Estimacin del coeficiente de rugosidad de Manning. Determinacin de la pendiente longitudinal del cauce considerando un tramo de unos 200 mhacia aguas arriba y hacia aguas abajo del ponteadero. Se determina el coeficiente de distribucin de gasto ().

=S

n

1 2/

.......................................................................................................................... 2.5

Determinacin de la profundidad del agua (h) en poca de estiaje.

Determinacin del permetro mojado de estiaje (P = f(h)). Determinacin del rea mojada de estiaje (A = f(h)). Determinacin del radio hidrulico (R =A/P = f(h)). Determinacin del caudal de estiaje (Qe) con la Ecuacin 2.4 Se considera constante para condiciones de estiaje y avenida. Con el coeficiente conocido, se determinan los caudales correspondientes a diferentesprofundidades del agua (h) incluyendo profundidades de creciente, usando la Ecuacin 2.4 Se grafica la curva de calibracin que relaciona Q y h, Figura 2.5. Si el caudal de diseo (Qd)es conocido, se determina elNAMEcorrespondiente. Si elNAMEes conocido, se determina el caudal de diseo (Qd) correspondiente.

2) Modelacin hidrulica asumiendo flujo uniforme y dos secciones transversales

Es recomendable trabajar con un mnimo de dos secciones transversales con el objeto de analizarel comportamiento del flujo al aproximarse a la estructura del puente. En este caso, se debeconsiderar una seccin muy prxima a la cara aguas arriba y la otra separada una distancia deaproximadamente una luz del puente medida hacia aguas arriba, o donde se presuma que ste yano ejerce ms influencia sobre el flujo.

La experiencia ha demostrado, despus de hacer varias evaluaciones de la hidrulica en la zonade puentes, que si se consideran estas secciones de manera independiente, el nivel del agua

resultante en la seccin aguas arriba est por debajo del nivel del agua en la seccin del puente,lo cual no est de acuerdo con la teora establecida para la condicin de flujo subcrtico ni con loque se observa en la prctica. Por esta razn, es conveniente buscar una forma de amarrar elfuncionamiento hidrulico de las dos secciones estableciendo el control en la seccin de aguasabajo. Con este propsito y tratando de simplificar la modelacin de una forma lgica se haprocedido de la siguiente manera:

Se determina el caudal de diseo, se establece la pendiente media en un tramo representativo deal menos 200 m, se calculan los parmetros hidrulicos (A, P, R, Vy el NAMEpen la zona delpuente, se estima el desnivel h que debe existir entre el nivel del agua en el puente y el nivel delagua en la seccin transversal aguas arriba, donde, h = LSp,L es la distancia que separa las dos


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2.18secciones transversales y Sp es la pendiente media en el cauce. Adicionalmente, se establece elNAMEa en la seccin de aguas arriba (NAMEa =NAMEp + h). Finalmente, se debe iterar para el

caudal de diseo hasta encontrar la pendiente correspondiente aguas arriba Sa y poder entoncesdeterminar los parmetros hidrulicos en esta seccin.

Este tipo de clculos se puede realizar con la ayuda de programas de computador sencillos comoHYDRAL o con una hoja electrnica.

Estribo izquierdo Estribo derecho

1) 2)

Puente

Figura 2.6 1) Seccin transversal en el puente. 2) Seccin transversal aguas arriba.

Seccin aguas arriba Puente

NAMEaNAMEp

h

S

hL Fondo del ro

Figura 2.7 Perfil longitudinal.

3) Clculo de la profundidad del remanso usando mtodos empricos

La determinacin de la profundidad de remanso en un puente no es un clculo simpleindependientemente del mtodo que se use ya que muchas variables se encuentran involucradasen el anlisis de un tramo de un ro. A un nivel preliminar no es necesario considerar el efecto delremanso en la evaluacin de la socavacin de un puente. Sin embargo, un anlisis completo de la


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2.19estabilidad de un puente debe incluir el clculo de la curva de remanso para determinar losparmetros hidrulicos que afectan la profundidad de socavacin.

Existen varios mtodos para el clculo de la altura de remanso considerando fijo el lecho delcauce como los desarrollados por el Departamento de Transportes de los Estados Unidos,(Bradley J. N., 1978 y Atala, C. G., 1979). Estos mtodos aplican el principio de conservacin dela energa entre secciones transversales situadas aguas arriba y aguas abajo del puente.

4) Flujo variado

El programa HEC-RAS (http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras) fue desarrollado por elCentro de Ingeniera Hidrolgica del Cuerpo de Ingenieros Militares de los Estados Unidos(Hydrologic Engineering Center - HEC), para realizar clculos hidrulicos en una dimensin para

sistemas de cauces naturales o artificiales (River Analysis System - RAS). HEC-RAS facilita elclculo de perfiles del agua y de los parmetros hidrulicos del cauce; es una versin mejoradapara Windows de versiones anteriores como WSPRO (Water Surface Profiles) y HEC-2.

La ltima versin del HEC-RAS es la 4 de 2006 y est en proceso de prueba. Esta es una versinque supera en gran medida la 3.1.3 publicada en el ao 2005 y permite considerar cuatro grandescomponentes de anlisis:

a) Curvas de remanso en flujo permanenteb) Simulaciones con flujo no permanentec) Clculos de transporte de sedimentos y fronteras mviles

d) Anlisis de calidad del agua

La versin del HEC-RAS 3.1.1 de 2003 es suficiente para modelar la hidrulica en la zona delpuente con flujo permanente, subcrtico, supercrtico y mixto, en tramos de cauces conpendientes menores del 10%. Tambin realiza clculos de profundidades de socavacin enpuentes considerando socavacin por contraccin y local en estribos.

Entre otras aplicaciones de hidrulica, esta versin del HEC-RAS permite modelar una variedadde puentes con diferentes formas de pilas y estribos, y calcular parmetros hidrulicos talescomo: niveles del agua, velocidades y rea mojada para diferentes caudales en el sitio delponteadero. El programa modela flujos bajos y altos. De acuerdo al caudal de escorrenta mximoestimado para el diseo, se puede determinar la estructura del puente ms eficiente en cuanto acapacidad hidrulica, as como tambin controlar algunos parmetros de diseo hidrulico,(Medina E. y Castillo J., 1997).

El procedimiento de clculo est fundamentado en la ecuacin de la Energa donde las prdidaspor friccin son evaluadas mediante la Ecuacin de Manning y las prdidas por contraccin y/oexpansin son evaluadas teniendo en cuenta el cambio en la cabeza de velocidad. Parasituaciones de flujos bajos donde el perfil del agua vara rpidamente debido a fuertesobstrucciones en el cauce, como sucede en algunos puentes o alcantarillas, se usa tambin laecuacin de Momentum o ecuacin de Cantidad de Movimiento. Otras dos ecuaciones quemaneja el programa para flujos bajos son de tipo semi-emprico como es la Ecuacin de Yarnell y


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2.20una ecuacin dada por el Servicio Geolgico de los Estados Unidos (USGS). Para flujosaltos, el programa usa la ecuacin de la energa, las ecuaciones de flujo a presin en orificios ycompuertas, o las de flujo sobre vertederos.

Los datos requeridos para llevar a cabo esos clculos son de tipo geomtrico e hidrulico. Desdeel punto de vista geomtrico se requiere saber la topografa de las secciones transversalesincluyendo el cauce principal y las laderas, considerando como mnimo cuatro secciones as:inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del puente y a una distancia del puenteaproximadamente igual a una vez su longitud total tanto hacia aguas arriba como hacia aguasabajo; longitud del tramo entre secciones transversales, coeficientes de prdidas de energa(friccin, expansin y/o contraccin), datos de la geometra del puente. Desde el punto de vistahidrulico se requiere saber el caudal y las condiciones de frontera como son la pendiente de lalnea de energa, o el nivel del agua.

La Figura 2.8 ilustra la ubicacin de las secciones transversales y el puente. La enumeracin delas secciones transversales para usar el programa HEC-RAS debe hacerse desde aguas abajohacia aguas arriba.

Rio Palo

5

4

3

2.5

1

Figura 2.8 Ubicacin de las secciones transversales. Medina, E. y Castillo J.,1997

Limitaciones del HEC-RAS

Flujo en una dimensin Pendientes bajas S < 10%.

Seleccin del mtodo de modelacin hidrulicaa) Flujos bajosAgua por debajo de la parte inferior de la losa del puente.

1) Ecuacin de la energaFlujo gradualmente variado2) Ecuacin de cantidad de movimientoFlujo gradualmente variadoFlujo rpidamente variado


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2.21 Ambos mtodos consideran prdidas por friccin y cambios en la geometra del puente. Ambos mtodos modelan bien si predominan las prdidas por friccin y el puente causapequea obstruccin, si el flujo pasa por la profundidad crtica en la vecindad del puente y para

flujo subcrtico o supercrtico.

La ecuacin de cantidad de movimiento modela mejor cuando tanto las prdidas por la pila ypor friccin son predominantes, aunque cualquier mtodo podra usarse. La ecuacin de cantidad de movimiento es ms aplicable si las pilas son el principal causantede prdidas de energa y de los cambios en la superficie del agua.

b) Flujos altosAgua en contacto con la losa del puente.

1) Ecuacin de la energa

2) Ecuacin de orificios o vertederos

Es preferible la ecuacin de la energa en la mayora de los casos. La ecuacin de la energa se usa si la losa del puente causa pequea obstruccin al flujo y laabertura no funciona como un orificio. Mtodos de flujo a presin y vertedero se usan si la losa del puente causa obstruccin grande yremanso del flujo. Si el puente es sobrepasado y si la sumergencia no es muy grande deben usarse mtodos deflujo a presin y en vertedero. Si la sumergencia es grande se usa la ecuacin de la energa.

Si el flujo es sumergido y la losa del puente no acta como vertedero, debe usarse la ecuacinde la energa.

Clculo de perfiles de agua superficial: los perfiles de agua superficial son calculados deuna seccin a otra resolviendo la ecuacin de energa mediante un sistema de iteracionesMtodo Directo por Pasos, Chow, V. T. 1959). La prdida de energa entre dos secciones estcompuesta por prdidas de friccin y contraccin.

La determinacin del transporte total y del coeficiente de velocidad para una seccin transversalrequiere que el flujo sea subdividido en unidades en las cuales la velocidad es uniformementedistribuida. El algoritmo utilizado por HEC-RAS, como mnimo, subdivide el flujo en las reas

del canal principal y las laderas derecha e izquierda, utilizando la entrada de los valores decoeficiente de Manning. El transporte del flujo es calculado para las subdivisiones con lasiguiente forma de la Ecuacin de Manning:

2/1fKSQ =

3/2

ARn

1K =

n= coeficiente de rugosidad de Manning para la subdivisin (adimensional)A = rea del flujo para la subdivisin (m2)R = radio hidrulico para la subdivisin (m)Sf= Pendiente hidrulica o de fondo (m/m)K= factor de transporte


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2.22El programa suma todos los transportes para obtener el transporte adecuado en la banca, laladera derecha y la ladera izquierda. El cauce principal es usualmente analizado como unelemento singular. El transporte total para la seccin transversal es obtenido al sumar los tres

subdivisiones de transporte (izquierdo, derecho y canal principal).

Coeficiente de Manning para el canal principal: el flujo en el canal principal no se subdivideexcepto cuando el coeficiente de rugosidad cambia en el rea del canal o cuando se requieranparmetros hidrulicos puntuales. El programa determina si el valor de n que corresponde a laseccin transversal puede ser subdividido o si el valor de n compuesto para el canal principalpuede ser utilizado basado en el siguiente criterio:

Si la pendiente lateral del canal es ms pronunciada que 5H:1V y el canal principal tiene ms deun valor de n, se calcula automticamente un valor de nc compuesto. El modelo determina larugosidad equivalente; existen muchas hiptesis para el clculo de este parmetro Paulovskii,

Muhlhofer, Banks, Lotter, entre otros. Adems, usa las recomendaciones de Horton y Einsteinque se basa en el supuesto de considerar que cada sub-rea tiene la misma velocidad e igual a lavelocidad media de la seccin, con lo cual se obtiene la siguiente ecuacin:

( )

=Pi

niPinc

32

5.1

nc = coeficiente de rugosidad compuesta o equivalenteni = coeficiente de rugosidad para la subdivisin iPi = permetro mojado para la subdivisin i

El procedimiento coincide en dividir la seccin hidrulica en las partes que sean necesarias yasignarles un valor de n de rugosidad segn corresponda a su naturaleza fsica de oposicin alflujo. Como las secciones estn geomtricamente definidas, el modelo evala con la frmulaanterior el valor de rugosidad equivalente, (Ver Parte II sobre Transporte de Sedimentos).

Evaluacin de la cabeza principal de energa cintica: debido a que el programa HEC-RASest desarrollado para perfiles de agua superficial, solamente una superficie de agua y una cargade energa se computan en cada seccin transversal. Para una elevacin de agua superficial dada,la energa principal es obtenida al realizar el clculo con ponderacin de las N subsecciones en laseccin transversal. (Ladera derecha, izquierda y canal principal).

Evaluacin de prdidas por friccin: las prdidas por friccin son evaluadas por HEC-RAScomo el producto de SfyL, donde Sfes el gradiente de friccin yL es la distancia ponderada parael tramo de anlisis. El gradiente de friccin (pendiente de la lnea de energa) para cada seccintransversal es estimada con la ecuacin de Manning.

Evaluacin de contracciones y expansiones: el programa asume que una contraccin estocurriendo cuando la cabeza de velocidad aguas abajo es mayor que la cabeza de velocidad aguasarriba. De igual manera, cuando la cabeza de velocidad aguas arriba es mayor que la cabeza develocidad aguas abajo, el programa asume que una expansin del flujo est ocurriendo.


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2.23

Condiciones de fronteraCuatro son las condiciones de frontera disponibles en el modelo del HEC-RAS Nivel del agua Profundidad crtica Gradiente hidrulico Curva de calibracin

Controles en el flujoEl HEC RAS requiere la determinacin de la ubicacin de los controles dependiendo del tipo deflujo asumido Flujo subcrtico. Fr < 1: control del flujo aguas abajo. Flujo supercrtico. Fr > 1: control del flujo aguas arriba. Flujo crtico. Fr = 1: control del flujo aguas abajo y aguas arriba.

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