1. GENERALIDADES
2.5 ESTUDIO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO
2.5.9 Calculo de socavaciones en el cauce del rio
La socavación es la remoción de materiales del lecho y de las bancas de un cauce debido a la acción erosiva del flujo de agua alrededor de una estructura hidráulica.
2.5.9.2 Tipos de socavación
a) Velocidad de arrastre o velocidad crítica:
Velocidad crítica de arrastre mediante la relación de Hincu aplicada a sedimentos naturales.
44 - 399
Material del revestimiento Ven Te
Chow
Metal liso 0,01
Hormigón 0,013
Revestimiento bituminoso -
Terreno natural en roca lisa 0,035
Terreno natural en tierra con poca vegetación 0,027
𝑉𝑉𝑐𝑐 = 4.82 𝐷𝐷840.5 �𝐷𝐷ℎ
84�
0.2 Ecuación 2-26
Donde:
• Vc = La velocidad crítica de arrastre, en m/s • H = La profundidad del escurrimiento, en m
• D84 = El diámetro bajo el cual pasa el 84% del material, sacado de la curva granulométrica del estudio geotécnico [m]
• D = Es un diámetro característico del material del lecho (D50, D75, D84, D90) que son, respectivamente, los diámetros correspondientes al 50, 75, 84 y 90% de la curva granulométrica del material del lecho.
2.5.9.3 Cálculo de la socavación general por contracción.
Permite el cálculo de la socavación general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no un puente. (Universidad del Cauca, 2001)
a) Método de Litschvan – Levediev:
Este es un método que permite el cálculo de la socavación general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no un puente. Suelos cohesivos: 𝐻𝐻𝑠𝑠 = �𝟎𝟎. 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝜸𝜸𝜶𝜶´𝒉𝒉𝟓𝟓/𝟑𝟑𝟏𝟏.𝟏𝟏𝟏𝟏� 𝟏𝟏 𝟏𝟏+𝒙𝒙 Ecuación 2-27 Donde:
• Hs : Altura después de socavación, en m
• α´ : Coeficiente de sección dependiente de las características hidráulicas • h : Profundidad en el punto determinado de la sección, en m
• B : Coeficiente de Probabilidad de ocurrencia, [Figura 2-2]
• ψ : Factor de corrección por transporte de sedimentos, ver [Figura 2-4] • γ : Peso específico del sedimento, en [ton/m3]
Figura 2-1 Coeficiente de contracción entre columnas (Aguirre, 1980)
• x : Exponente variable que depende del peso volumétrico del material cohesivo, ver [Figura 2-3]
Ecuaciones adicionales: e c m d S Y C B Q 3 5 2 1 1 η = Ecuación 2-28 e c m d B C Y Q 3 5 ' = α Ecuación 2-29 Donde: • Qd : Caudal de diseño (m3/s)
• Η : Coeficiente de rugosidad Manning • S : Pendiente del río
• Ym : Altura promedio del tirante de agua, en m
• Cc : Fracción de contracción del cauce, ver [Figura 2-1] • Be : Ancho efectivo del río, en m
Figura 2-2 Valores de β en función de la probabilidad de ocurrencia
Figura 2-3 Valores de x para suelos cohesivos y no cohesivos (Aguirre, 1980) Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
Figura 2-4 Coeficiente ψ en función de (Aguirre, 1980) Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
b) Método de Straud
La siguiente expresión se usa para tener un estimativo del posible descenso que sufrirá el fondo del cauce debido a una reducción en su sección transversal.
𝐻𝐻𝑠𝑠 = �𝐵𝐵1 𝐵𝐵2� 0.642 ℎ1 Ecuación 2-30 𝐷𝐷 𝑠𝑠= 𝐻𝐻𝑠𝑠 − ℎ1 Ecuación 2-31 Donde: 48 - 399
• B1 : Ancho de la superficie libre del cauce aguas arriba de la contracción, en m • B2 : Ancho de la superficie libre del cauce en la contracción, en m
• h1 : Tirante de agua hacia aguas arriba de la contracción, en m 2.5.9.4 Cálculo de la socavación local en estribos
a) Método de Artamonov-1967.
Utiliza parámetros relacionados con el Angulo de incidencia (Ф), caudal que Intercepta el estribo (Qo) y el caudal de diseño (Qd) (Aguirre, 1980).
Figura 1 : Esquema de definición, método de Artamonov
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980 La fórmula que la define es:
n m q st P P P h Y = θ Ecuación 2-32 Donde:
• Yst : Profundidad de socavación al pie del estribo, en m
• Hn : Profundidad anterior al proceso erosivo, aguas arriba del estribo, en m • Pq : Coeficiente en relación entre él y en la Figura 2-8
• Pθ : Coeficiente que depende del ángulo que forma el eje de la obra con la corriente [Figura 2-5 Coeficiente de Artamonov (Aguirre, 1980]
• Pm : Depende del talud que tienen los lados del estribo. (mH:1V) 49 - 399
Figura 2-5 Coeficiente de Artamonov (Aguirre, 1980)
Figura 2-6 Estribos que se prolongan hasta el cauce principal y no existe flujo en la zona de inundación (Aguirre, 1980)
Los coeficientes relacionados, podrán ser determinados de la gráfica siguiente:
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
b) Método de Liu, Chang y Skinner.
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
Considera una ecuación resultante de estudios de laboratorio y análisis dimensional y se aplica para las siguientes condiciones que se ilustran en la Figura 2.7:
• Socavación en lecho móvil
• Estribos que se proyectan dentro del cauce principal. • No existe flujo sobre las bancas del cauce de inundación.
• El largo del estribo es menor que 25 veces la profundidad media del agua (L/h < 25).
• Flujo sub crítico.
• Lecho del cauce arenoso.
• Los valores de las profundidades de socavación deben ser incrementados en un 30% cuando se presentan dunas en el cauce de aproximación al estribo.
• Si existe lecho plano o lecho con antidunas, las ecuaciones deben aplicarse tal como se exponen a menos que las antidunas ocurran en el estribo, caso para el cual la profundidad de socavación debe incrementarse en un 20%.
Utiliza la fórmula: 𝑑𝑑𝑠𝑠 ℎ = 𝐾𝐾𝐾𝐾 � 𝐿𝐿 ℎ� 0.4 𝐹𝐹𝐹𝐹0.33 Ecuación 2-33 Donde:
• ds : Profundidad de socavación de equilibrio medida desde el nivel medio del lecho hasta el fondo del hueco de socavación, en m
• h : Profundidad media del flujo aguas arriba en el cauce principal, en m • L : Longitud del estribo y accesos al puente que se opone al paso del agua,
en m
• Fr : Número de Froude en la sección de aguas arriba • Kf : Coeficiente de corrección por la forma del estribo
• Kf : 1.1 para estribos con pared inclinada hacia el cauce • Kf : 2.15 para estribos con pared vertical
2.5.9.5 Cálculo de la socavación en pilas a) Formula de Larras
Esta fórmula nos indica que luego de alcanzar el valor máximo de socavación disminuye hasta la profundidad de equilibrio por las fuertes corrientes, las cuales tenderían a nivelar el fondo en vez de socavarlo. Larras plantea para columnas de forma circular la siguiente expresión. (Universidad del Cauca, 2001)
𝑌𝑌𝑠𝑠𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚 = 10 3 ∙(𝐷𝐷𝑐𝑐) 3 4 Ecuación 2-34 Donde: • DC : Diámetro de la columna, en m
• YSmax : Profundidad máxima de socavación, en m
En caso de que se presentase una pila no circular se deberá afectar por el coeficiente la expresión se encuentra en función de la forma de la columna y tiene un rango que varía entre 0.41 a 1.40 (ver cuadro 8) y si en caso de que la columna se encuentre en forma oblicua al eje se deberá multiplicar por un coeficiente, que se encuentra en función del ángulo de incidencia (ver cuadro 9).
Tabla 2-15 Coeficiente en función de la forma de la pila (Aguirre, 1980)
Forma de la columna Alargamiento de Coeficiente de proporcionalidad
Las pilas (Lc/bc) KL1
Chatou Lowa Tison Escan.
Rectangular -
Achaflanada 4,00 - - 1,01
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
Tabla 2-16 Coeficiente KL2 en función del ángulo de incidencia (Aguirre, 1980)
Forma de la columna Alargamiento de Coeficiente de proporcionalidad
Las pilas (Lc/bc) KL2 0º 10º 15º 20º 30º 45º Rectangular 2,00 1,11 - 1,38 - 1,56 1,65 4,00 1,11 - 1,72 - 2,17 2,45 4,50 - - - - 2,09 - 6,00 1,11 - 2,00 - 2,69 3,05 8,00 1,11 - 2,23 - 3,03 3,61 10,00 1,11 - 2,48 - 3,43 4,16
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
b) Método Hugo E Belmonte.
Las mayores socavaciones que se han registrado son de alrededor de 10 m. habiéndose constatado que guardan relación con la profundidad del agua, su velocidad, y la dureza del terreno.
ℎ = 𝐾𝐾 𝐻𝐻 𝑉𝑉2 Ecuación 2-35
Donde:
• H : Profundidad de la corriente, en m
• K : Constante característica del terreno, en seg2/m2 (Tabla 2-9)
• H : Profundidad de la socavación, en m • V : Velocidad de aguas, en m/seg
Tabla 2-17 La constante K para algunos materiales tiene los siguientes valores
Material K (seg2/M2)
Ripio conglomerado 0.01
Ripio suelto 0.04
Arena 0.06
Fango 0.08
Fuente: Hidráulica de sedimentos – Aguirre 1980
2.6 PUENTES DE HORMIGÓN PRETENSADO