I. INTRODUCCION:

El conocimiento de los procesos hidrodinmicos y morfolgicos de una corriente aluvial, dadas unas condiciones hidrolgicas conocidas, permite desarrollar un adecuado plan de manejo de los diseos hidrulicos que se lleven a cabo en dicho cauce. Entre los procesos fluviales, se destacan tres procesos como elementales: la erosin, el transporte y la deposicin de sedimentos. La erosin fluvial puede darse tanto en las bancas como en el fondo, dependiendo los grados de libertad del cauce (Maza lvarez & Garca Flores, 1996). La erosin natural del fondo en cauces naturales producida por un incremento del caudal lquido, sea por crecidas naturales o inducidas, es llamada socavacin general, y la estimacin de su profundidad es un tema de gran importancia en ingeniera fluvial, especialmente til para la toma de decisiones en el diseo de obras de cruce a travs del cauce, tales como puentes, tuberas, tneles subfluviales, etc. (Faras, 2003).La socavacin general es un proceso fsico complejo, cuyas bases tericas an no se encuentran bien definidas y no es posible estimar con confianza los cambios en el lecho tras el trnsito de un flujo. Los factores que influyen en la socavacin general se pueden agrupar en tres grupos: factores geomorfolgicos, factores de transporte y el tipo de material que conforma el lecho; todos factores nicos para cada ro, lo cual dificulta la existencia de una ley general (Melville & Coleman, 2000).

II. OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL: Desarrollar un informe que contenga datos referentes a socavacin y mtodos empleados para el clculo de la profundidad de socavacin general, apoyada en modelos morfo dinmicos e hidrodinmicos.

OBJETIVO ESPECFICO: Recopilar las formulaciones ms utilizadas para el clculo de la socavacin general para ros con lecho de grava, as como las ecuaciones de transporte de sedimentos aplicables a stos. Identificar los parmetros que tienen mayor influencia y sensibilidad en la modelacin del proceso de socavacin general.

III. MARCO TEORICO:Socavacin: La socavacin es un tipo de erosin hdrica que hace referencia a la prdida del material del lecho y mrgenes de un cauce, debido a la capacidad de transporte asociada a un evento hidrolgico. La reduccin de este nivel respecto a un nivel de referencia es denominada profundidad de socavacin. La profundidad de socavacin alcanzada depende del tipo y tamao de las partculas que conforman el lecho y la magnitud y duracin del evento hidrolgico. La socavacin depende de muchos factores, que pueden agruparse en dos grupos principales: los factores geomorfolgicos y los factores de transporte. Adems, la socavacin puede clasificarse en dos tipos segn su naturaleza: socavacin general y socavacin local.Uno de los factores fundamentales para estimar la profundidad de socavacin en cualquier tipo de cauce natural es el tipo de material del lecho que conforma el cauce y est expuesto a las fuerzas erosivas de la corriente. El tipo de material que conforma el cauce hace referencia al tamao del mismo, e investigaciones han demostrado que en ros aluviales, es decir, aquellos que corren sobre materiales transportados por el propio ro en el pasado geolgico, la granulometra del material del lecho est directamente relacionada con las caractersticas geomorfolgicas de un corriente (Autumn & Springer, 2006).Los primeros pasos en la hidrulica fluvial para determinar la profundidad de socavacin partieron de la teora del rgimen, formulaciones completamente empricas entre las que se destacan la de Lacey (1930) y Blench (1939).Posteriormente, a partir de la dcada de los 60, se le dio un nuevo enfoque a las metodologas desarrolladas para calcular la profundidad de socavacin, basadas en el equilibrio entre la velocidad de flujo y la velocidad crtica para el material que conforma el lecho, entre las que se destacan las formulaciones de Lischtvan & Lebediev (1959), Laursen (1963), Maza lvarez (1973) y Neill (1980), entre otras. Factores que influyen en la socavacin: Factores geomorfolgicos: Los factores geomorfolgicos hacen referencia a las caractersticas de la cuenca y el ro analizado. Dentro de las caractersticas de la cuenca se incluyen los factores climticos y los usos y tipos de suelos, elementos de primera importancia para determinar las tasas de erosin y transporte en el sitio de inters. Las caractersticas de mayor inters son la pendiente, la geometra de la seccin transversal, su forma en planta, las caractersticas del material del lecho y las condiciones de borde del canal.La caracterizacin del material del lecho incluye la distribucin del sedimento, la gradacin, la estratificacin de capas en el lecho y la presencia de materiales cohesivos. Los sedimentos no cohesivos son aquellos cuyo movimiento depende solamente de las propiedades de las partculas que los componen y de la posicin relativa entre las mismas. Dentro de este grupo se encuentran las arenas y gravas. Los sedimentos cohesivos, por el contrario, son aquellos cuyo movimiento inicial depende de la compleja interaccin fsico-qumica entre las partculas coloidales y los efectos de la presin de poros. La socavacin en lechos de material cohesivo es un fenmeno mucho ms complejo y no puede ser evaluado segn las caractersticas del tamao de la partcula. Otra caracterstica importante son los controles geolgicos, pues determinan los lmites probables de erosin.

Factores de transporte: Los factores de transporte se relacionan con el transporte tanto de agua como de sedimentos. Las caractersticas del flujo, como la velocidad, duracin, caudal y frecuencia, as como las tasas de transporte y tipo de sedimento transportado durante tales eventos, son necesarias para estimar la profundidad de socavacin.Tipos de socavacin Socavacin general: La socavacin general es aquella disminucin en el nivel base del lecho del cauce como consecuencia de aumento en la velocidad y el esfuerzo cortante del flujo en el lecho, que pone en movimiento las partculas de fondo y de las mrgenes que se encuentran en equilibrio, indistintamente de la presencia o no de cualquier estructura antropognica. Los procesos fluviales y geomorfolgicos que dan lugar a la socavacin general ocurren en un amplio rango de escalas espacio-temporales. Dentro de la socavacin general se incluyen los procesos de degradacin naturales como incisin del lecho, migracin lateral, cambios en las formas del lecho y socavacin en confluencias.La socavacin es un fenmeno complejo que para la comprensin del problema y su solucin requiere un anlisis cualitativo inicial, enfocado en entender los procesos fsicos a escala de cuenca, de tramo y de seccin. La relacin cualitativa propuesta por Lane (1955) ayuda a comprender las respuestas de un ro ante cambios en la cuenca que pueden producir agradacin o degradacin del lecho. En la Figura 1-1 se representa el sistema fluvial como una balanza que permite predecir la respuesta cualitativa de un cauce ante algn cambio que se presente en alguno de los elementos caractersticos de la cuenca.

Socavacin local: Contrario a la socavacin general, la socavacin local es el descenso abrupto en el lecho fluvial, generado por la remocin del material de fondo debido a algn elemento fsico componente de alguna obra dentro del cauce o alguna singularidad natural que se encuentre interpuesta dentro de la corriente. Dada la complejidad del movimiento del fluido causante de la socavacin localizada, su anlisis se deriva en teoras diferentes y en ocasiones contradictorias, dependiendo de las condiciones que se hayan tenido en cuenta para su definicin. Este tipo de socavacin ha sido ms estudiado que la socavacin general, pues los anlisis de socavacin se realizan, en su mayora, para conocer el diseo de cimentaciones de obras que estn en contacto directo con el cauce (puentes, espolones, estribos, pilas, etc), ya que son obras de importancia en la subestimacin de la socavacin podra conllevar a la destruccin total de la estructura, o la sobreestimacin llevara a adoptar profundidades de cimentacin que hacen extremadamente costosa la obra.

La socavacin en lechos con fondo mvil se da cuando el ro analizado transporta una carga de sedimentos antes de entrar a la seccin de control del tramo de inters, en este caso el equilibrio en el balance de transporte determina la finalizacin del proceso erosivo. Cuando el caudal slido de ingreso al tramo de anlisis es mnimo o nulo, se denomina socavacin en agua clara, y el proceso erosivo se detiene cuando el esfuerzo cortante del cauce disminuye por debajo de los valores crticos de iniciacin de movimiento del material que conforma el lecho del tramo. Tambin se considera erosin en agua clara cuando el material del lecho es transportado en suspensin a travs del hueco de socavacin hacia aguas abajo sin depsito en la seccin de inters.METODOS Y FORMULAS EMPLEADAS EN SOCAVACION:

Condicin de equilibrio:

Esta dado por Ue=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

CALCULO DE . (Velocidad media de la corriente m/s):

Donde Ur : Velocidad media de la corriente m/s do : Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la seccin entre el nivel del agua al pasar la avenida y el nivel del fondo obtenido durante el estiaje, en m. ds : Profundidad despus de producirse la socavacin 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 expresin:

Donde Qd : Gasto mximo de diseo m3/s dm : Tirante medio de la seccin, el cual se obtiene dividiendo el rea hidrulica entre el ancho efectivo, en m. dm = A/ B e Be : Ancho efectivo en la seccin, descontados todos los obstculos, en m, para encontrar B e, se traza una lnea perpendicular a las lneas de corriente. Sobre esas lneas se proyectan todos los obstculos y B e, es la suma de todos los espacios libres. : Coeficiente que toma en cuenta el efecto de contraccin producido por las pilas en el caso de existir un puente, su valor se encuentra en la tabla 1.9, si no hay puente = 1Calculo del ancho efectivo Be:

B : Claro total del puente, en m. a : Largo de las pilas en m. bi :Ancho de la pila i, en m. c : Nmero de caras de las pilas o estribos dentro y en los lmites de B. N : Nmero de pilas o estribos considerados al tomar a c. : Angulo que forma la direccin del flujo con el eje longitudinal de las pilas.

CALCULO DE . : La velocidad mnima necesaria para arrastrar los materiales depende de la naturaleza de los mismos:PARA SUELOS NO COHESIVOS:

PARA SUELOS COHESIVOS:

Donde Ue : Velocidad media que debe tener la corriente para erosionar al material del fondo (inicio de arrastre), en m/s : Coeficiente que toma en cuenta el periodo de retorno con que se presenta el gasto de diseo, 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 volumtrico s, en ton/m3 sus valores se indican en la tabla 1.11PARA SUELOS GRANULARES:

d s : Profundidad despus de producirse la socavacin del fondo, se mide desde el nivel del agua al pasar la avenida hasta el nivel del fondo erosionado, en m. do : Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la seccin 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 diseo, su valor se encuentra en la tabla 1.10PARA SUELOS COHESIVOS:

d s : Profundidad despus de producirse la socavacin del fondo, se mide desde el nivel del agua al pasar la avenida hasta el nivel del fondo erosionado, en m. do : Profundidad inicial que existe en una determinada vertical de la seccin 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 diseo, su valor se encuentra en la tabla 1.10

CALCULO DE LA SOCAVACION GENERAL: CUANDO LA RUGOSIDAD NO ES UNIFORME EN LA SECCIN.

Formula de STRAUB:

SOCAVACION EN CURVAS: La profundidad mxima dmax, que puede llegar a presentarse vale segn ALTUNIN:

Donde : Coeficiente que depende de la relacin r/B y cuyo valor se encuentra en la tabla 1.12 dr : profundidad mxima en el tramo recto situado aguas arriba de la curva , en m.

METODO DE ECUACION DE COLORADO STATE UNIVERSITY: se debe a richardson (1975) socavacin local en pilas. y tiene la siguiente forma:

DONDE:y s : Profundidad de socavacin en m. y 1 = profundidad del flujo aguas arriba, en m b= Ancho de la pila en m. d = Tirante medio de la seccin m. Fr1 = Numero de Froude, asociado a y 1V= Velocidad media del flujo en m/s. Y = Tirante hidrulico en m. A = rea hidrulica en m2 B = Ancho de la superficie del agua en m.

K1 y K2 COEFICIENTE DE CORRECCION POR FORMA DE LA PILA Y ANGULO DE INCIDENCIA SUS VALORES SE INDICAN A CONTINUACION.

K2 COEFICIENTE DE CORRECCION

METODO NEILL DE SOCAVACION LOCAL EN PILAS:

DONDE:ys : Profundidad de la socavacin, en m. y1 : Profundidad del flujo aguas arriba, en frente de la pila, en m. b : Ancho de la pila, en m. Fr1: Nmero de Froude, asociado a y1.V= Velocidad media del flujo en m/s. Y = Tirante hidrulico en m. A = rea hidrulica en m2 B = Ancho de la superficie del agua en m.METODO LIU DE SOCAVACION EN ESTRIBOS DE PUENTE:

DONDE:y s : Profundidad de socavacin en m. y 1 = profundidad del flujo aguas arriba, en frente de la pila, en m. Fr1 = Numero de Froude, asociado a y 1 a : Distancia horizontal entre el pie del estribo y la interseccin de la superficie libre del agua y el talud de la margen, en m.PARA ESTRIBOS CON TERMINACION EN PARED VERTICAL, SE TIENE: ESTIMACION

METODO DE LAURSEN SOCAVACION EN ESTRIBOS DE PUENTE:

DONDE:y s : Profundidad de socavacin en m. y 1 : profundidad del flujo aguas arriba, en frente de la pila, en m. a : Distancia horizontal entre el pie del estribo y la interseccin de la superficie libre del agua y el talud de la margen, en m.METODO DE FROEHLICH SOCAVACION EN ESTRIBOS DE PUENTE:

DONDE:y 1 : profundidad del flujo aguas arriba, en frente de la pila, en m. K1 : Coeficiente de forma del estribo. 1 para estribo pared vertical y 0.55 para estribos de pared inclinada. K2 : Coeficiente por desviacin del flujo respecto al plano del estribo. Se obtiene como: Ae : rea obstruida por el estribo : Angulo que forma el estribo con respecto la direccin del flujo.

MEDIDAS DE PROTECCION: EXPRESION DE MAZA Y GARCIA.

DONDE:D: Tamao de la roca, en m.U: Velocidad media de la corriente, en m/sd:Tirante de la corriente, en mSs : Densidad relativa de la roca disponible.EXPRESION DE MAZA:

U, Dm, d y s Se expresan en m/s, m, m, y kg/m3 Las expresiones anteriores son validas siempre que la velocidad media de la corriente sea menor o igual que 4.50 m/s.

IV. CONCLUSIONES: Uno de los factores fundamentales para estimar la profundidad de socavacin en cualquier tipo de cauce natural es el tipo de material del lecho que conforma el cauce y est expuesto a las fuerzas erosivas de la corriente. El tipo de material que conforma el cauce hace referencia al tamao del mismo. posible modelar procesos de agradacin y degradacin del lecho a partir de las ecuaciones de transporte y de continuidad de sedimentos. Las caractersticas de mayor inters son la pendiente, la geometra de la seccin transversal, su forma en planta, las caractersticas del material del lecho y las condiciones de borde del canal. Existen muchos mtodos para estimar la socavacin en un cauce, estos mtodos varan segn las caractersticas que presenta dicho cauce

V. RECOMENDACIONES: Actualmente existen herramientas de modelacin como el HEC-RAS o el SRH-1D que incluyen mdulos de transporte de sedimentos y cambios en el lecho Utilizar el mtodo ms apropiado segn los datos y caractersticas que presenta un cauce para estimar su socavacin.

VI. BIBLIOGRAFIA: MAZA ALVAREZ, J.A. & GARCA FLORES, M. 1996. Manual de Ingeniera de Ros. Series del Instituto de Ingeniera, UNAM. Comisin Nacional de Aguas, Mxico D.F. MERRITT W.S., LETCHER R.A. & JAKEMAN A.J., 2003. A review of erosion and sediment transport models. Environmental Modelling & Software. Vol 18. p 761 799. SCHUMM, S. A., 1977. The Fluvial System, Jhon Wiley & sons, New York SCHREIDER, M., SCACCHI, G. & FRANCO, F. 2001. Aplicacin del mtodo de Lischtvan y Levediev al clculo de la socavacin general. Ingeniera Hidrulica en Mxico. Vol 16. p 16 26. MELVILLE, B.W. & COLEMAN, S.E., 2000. Bridge Scour. Water Resources Publications, LLC.

VII. ANEXOS:

EJEMPLO DE APLICACINDetermine la profundidad de socavacin general en la siguiente seccin transversal de un cauce en la que se quiere que un ducto deber estar siempre a 4 m. por debajo de la mxima socavacin, la informacin que se dispone es la siguiente:1.- el caudal de avenida para un periodo de retorno de 100 aos es de 4,300 m3/s.2.- el lecho es arenoso pero se observan caractersticas geotcnicas variadas a lo largo de la seccin transversal y profundidad segn el perfil estratigrfico, la descripcin de los materiales es:- Tipo No1: arcillas compactas con S= 1.53 t/m3.- Tipo No2: limo areno arcilloso con S= 1.46 t/m3.- Tipo No3: arenas con dimetro representativo = 0.50 mm.- Tipo No4: gravas 3 mm.- Tipo No5: arcillas compactas con S= 1.54 t/m3.- Tipo No6: roca.3.- el nivel de superficie libre cuando se produce la mxima avenida es de 10.00 m.4.- el ancho de superficie referido al nivel 10.00 m. es de 448 m.5.- el tirante medio de la seccin original es de 5.82 m. medido a partir del nivel 10.00 m.6.- se desea calcular la socavacion en los niveles 6.15, 1.80 y 5.06.

SOLUCIN:Para arenas y gravas.

Para suelos cohesivos.

==>> = Como no hay puente =1Be = 448 mdm = 5.82 m= = 0.5097Calculo de :Con la ayuda de la tabla 1.10 con un periodo de retorno de 100 aos:Periodo de retornoCoeficiente

100 aos1

Calculo de: con la ayuda de la tabla 1.11: Arenas: 0.50 mm X=0.41 = 0.71 Cohesivos: s = 1.46 Tm x=0.34 = 0.75

Arenas: ds=0.935do1.183 Cohesivos: ds=0.633do1.25

Profundidad para el tramo 5.0610 - 5.06 = 4.94 mCohesivos = 4.94 mSe reemplaza solo hay porque solo hay un tipo de suelo: ds = 0.633do1.25ds = 0.633(4.94)1.25ds = 4.66 m. Profundidad para el tramo 1.80:10 1.80 = 8.20 m. Arena: ds = 0.935do1.183ds = 0.935(8.20)1.183ds= 11.268 m. Profundidad para el tramo 6.15:10 6.15 = 3.85 m. Cohesivos: ds = 0.633do1.25ds = 0.633(3.85)1.25ds = 3.41 m. Determinacin de las profundidades reales para cada tramo: La profundidad de socavacin para el tramo 5.06 es:4.66 m. 4.94 m. = -0.28 m.Al ser un resultado negativo indica que en ese punto existe sedimentacin. Profundidad de socavacin para el tramo 1.80:11.268 m. 8.20 m. = 3.068 m.Al ser un resultado positivo indica que en ese punto existe socavacin. Profundidad de socavacin para el tramo 6.15:3.41 m. 3.85 m. = -0.44 m.Indica sedimentacin.