Análisis de la socavación en cauces naturales

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(1)E C S U A L O P É IT N FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ANÁLISIS DE LA SOCAVACIÓN EN CAUCES NATURALES. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL. LESLY MARGARITA GALIANO AYALA [email protected] JORGE AUGUSTO TOAPAXI ALVAREZ [email protected]. DIRECTOR: ING. XIMENA HIDALGO BUSTAMANTE [email protected]. Quito, febrero 2010.

(2) II. DECLARACIÓN. Nosotros, Lesly Margarita Galiano Ayala, Jorge Augusto Toapaxi Álvarez, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. LESLY MARGARITA GALIANO AYALA. JORGE AUGUSTO TOAPAXI ÁLVAREZ.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Lesly Margarita Galiano Ayala, Jorge Augusto Toapaxi Álvarez, bajo mi supervisión.. ING.XIMENA HIDALGO B. DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a Dios por darme la oportunidad de culminar mi carrera en tan prestigiosa Universidad. A mis padres y mis hermanos, por apoyarme incondicionalmente para alcanzar cada una de mis metas. A la Ing. Ximena Hidalgo, Dr. Marco Castro e Ing. Marcelo Hidalgo, por la guía y consejos necesarios y de gran importancia en el desarrollo de este trabajo. En general, a todas aquellas personas que con una palabra de aliciente me impulsaron a seguir adelante, sobre todo en los momentos difíciles, MIL GRACIAS. Jorge A. Toapaxi A.. Quiero agradecer a mi familia, por darme el valor y las fuerzas necesarias para culminar mi carrera. Agradezco infinitamente, a nuestra directora de tesis Ing. Ximena Hidalgo, por ser nuestra guía en este proyecto; Ing. Marcelo Hidalgo, por apoyarnos en las decisiones más importantes; y al Dr. Marco Castro, por su valorable aporte. Y finalmente, a mi compañero de tesis, que sin su apoyo y constancia, este proyecto no hubiese sido posible. Lesly M. Galiano A..

(5) V. DEDICATORIA. Este trabajo lo dedico a mi familia y a mis hermanos, que aunque no estuvieron presentes físicamente en mi paso por la Universidad, siempre los he tenido en mi mente, pero sobre todo en mi corazón. A mi Padre y Madre, por el apoyo moral y por haber sido los pilares fundamentales en mi crecimiento como persona, porque con su ejemplo y enseñanzas siempre me sentí respaldado para dar pasos seguros y defenderme en la vida. Andy, Tete, Pauli y Xime, esta meta también es de ustedes, porque siempre me demostraron que es posible alcanzar lo uno se propone. Jorge A. Toapaxi A.. A mi maravilloso Dios, por ser mi fuente de fortaleza en los momentos más difíciles. A mi papito lindo, por darme su apoyo incondicional y enseñarme que todo se logra con esfuerzo y dedicación. Mi mamita linda, que aún en la distancia, me supo dar ánimos y me hizo entender que con amor todo es posible. A la mejor amiga y hermana que Dios me pudo haber regalado, Felyta, mi fuente de inspiración y alegría. Sobre todo quiero dedicarle mi esfuerzo, a mi Abuelita Linda, que ahora es mi angelito de la guarda, y desde el cielito me cubre con sus dulces brazos. Lesly M. Galiano A..

(6) VI. CONTENIDO DECLARACIÓN ...................................................................................................... II CERTIFICACIÓN ................................................................................................... III AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... IV DEDICATORIA ....................................................................................................... V CONTENIDO ......................................................................................................... VI INDICE DE TABLAS ........................................................................................... XIII INDICE DE FIGURAS ......................................................................................... XVI INDICE DE FOTOS ............................................................................................ XXII SIMBOLOGÍA ................................................................................................... XXIV RESUMEN ....................................................................................................... XXIX ABSTRACT ....................................................................................................... XXX PRESENTACIÓN ............................................................................................. XXXI CAPITULO 1. .......................................................................................................... 1 GENERALIDADES .................................................................................................. 1 1.1. DEFINICIONES BÁSICAS DE INGENIERÍA DE RÍOS ............................. 1. 1.1.1. CAUCE NATURAL .............................................................................. 1. 1.1.1.1. DEFINICIÓN ................................................................................. 1. 1.1.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS RÍOS ................................................... 2. 1.1.2. HIDRÁULICA FLUVIAL ....................................................................... 6. 1.1.2.1. DEFINICIÓN ................................................................................. 6. 1.1.2.2. MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS .......................................... 7. 1.1.2.3. GRANULOMETRÍA ..................................................................... 11. 1.1.2.4. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ............................................. 15. 1.1.3. HIDROLOGÍA FLUVIAL ..................................................................... 17. 1.1.3.1. DEFINICIÓN ............................................................................... 17. 1.1.3.2. PRECIPITACIÓN ........................................................................ 17.

(7) VII. 1.2. 1.1.3.3. ESCORRENTÍA .......................................................................... 18. 1.1.3.4. INFILTRACIÓN ........................................................................... 18. 1.1.3.5. CUENCA HIDROGRÁFICA......................................................... 18. MORFOLOGÍA Y TIPOS DE CAUCES NATURALES RESPECTO. DE SU DESARROLLO NATURAL..................................................................... 19 1.2.1. FORMACIÓN DEL CURSO NATURAL EN PLANTA ........................ 19. 1.2.1.1. RECTOS ..................................................................................... 19. 1.2.1.2. TRENZADOS .............................................................................. 20. 1.2.1.3. SINUOSOS ................................................................................. 21. 1.2.2. FORMACIÓN. DEL. CURSO. NATURAL. EN. SECCIÓN. TRANSVERSAL O CORTE............................................................................ 23 1.2.2.1. ROCOSOS .................................................................................. 23. 1.2.2.2. ALUVIALES................................................................................. 24. 1.2.3. FORMACIÓN DEL CURSO NATURAL A LO LARGO DEL. PERFIL LONGITUDINAL ............................................................................... 25. 1.3. 1.2.3.1. TRAMO SUPERIOR ................................................................... 25. 1.2.3.2. TRAMO MEDIO .......................................................................... 25. 1.2.3.3. TRAMO INFERIOR ..................................................................... 25. 1.2.3.4. DESEMBOCADURA ................................................................... 26. DEFINICIONES. SOBRE. EL. PROCESO. EROSIVO. EN. CONTORNOS DE MATERIAL SUELTO (SIN COHESIÓN) .............................. 26 1.3.1. MATERIAL NO COHESIVO: ............................................................. 26. 1.3.1.1. RÍOS DE ARENA Y RÍOS DE GRAVA ....................................... 26. 1.3.2. PROCESO DE EROSIÓN ................................................................. 28. 1.3.3. TIPOLOGÍA DE LOS PROCESOS EROSIVOS. ............................... 29. 1.4. FORMAS DEL LECHO: (I) EN MATERIAL UNIFORME Y (II) EN. RÍOS DE MONTAÑA ......................................................................................... 30 1.4.1. EN MATERIAL UNIFORME ............................................................... 31. 1.4.1.1. RIZOS: ........................................................................................ 32. 1.4.1.2. DUNAS:....................................................................................... 32. 1.4.1.3. ANTIDUNAS: .............................................................................. 32. 1.4.1.4. RÁPIDOS Y POZOS: .................................................................. 33. 1.4.2. EN RÍOS DE MONTAÑA ................................................................... 33.

(8) VIII. 1.4.2.1. BARRAS ALTERNADAS:............................................................ 33. 1.4.2.2. RÁPIDOS Y POZOS: .................................................................. 34. 1.5. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FÍSICO ............................................. 35. 1.6. OBJETIVOS DEL PRESENTE TRABAJO DE TITULACIÓN .................. 35. 1.6.1. OBJETIVOS GENERALES ................................................................ 35. 1.6.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................. 36. CAPITULO 2. ........................................................................................................ 37 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EROSIÓN Y SOCAVACIÓN............................ 37 2.1. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 37. 2.1.1. SOCAVACIÓN ................................................................................... 37. 2.1.1.1 2.1.2 2.2. TIPOS DE SOCAVACIÓN........................................................... 37. EROSIÓN .......................................................................................... 42. CARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS DEL FLUJO EN UN. CURSO NATURAL ............................................................................................ 43 2.2.1. DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN PLANTA ............................ 43. 2.2.2. DISTRIBUCIÓN DE. VELOCIDADES. EN. UNA. SECCIÓN. TRANSVERSAL ............................................................................................. 43 2.2.3. TEORÍA DE RÉGIMEN ...................................................................... 44. 2.2.3.1. APLICACIÓN DE LA TEORÍA DE RÉGIMEN ............................. 45. 2.3. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL SÓLIDO..................................... 47. 2.4. ANÁLISIS BÁSICO DE LA RESISTENCIA AL MOVIMIENTO EN. CONTORNOS DE MATERIAL SUELTO ........................................................... 48 2.4.1 2.5. CAPACIDAD DE TRANSPORTE ...................................................... 48. UMBRAL DEL MOVIMIENTO ................................................................. 48. 2.5.1. DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES EN UNA CORRIENTE CON. SUPERFICIE LIBRE ...................................................................................... 51 2.6. CONCLUSIONES ................................................................................... 53. CAPITULO 3. ........................................................................................................ 55 DESCRIPCIÓN DE LOS MECANÍSMOS DE SOCAVACIÓN ............................... 55 3.1. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FENÓMENO FÍSICO ................... 55. 3.1.1. FACTORES GEOMORFOLÓGICOS................................................. 56.

(9) IX. 3.1.1.1. CARACTERÍSTICAS DE LA CUENCA ....................................... 56. 3.1.1.2. CARACTERÍSTICAS DEL RÍO ................................................... 57. 3.1.2. FACTORES DE TRANSPORTE ........................................................ 58. 3.1.3. FACTORES DE LECHO .................................................................... 59. 3.1.4. FACTORES DE GEOMETRÍA DEL PUENTE ................................... 59. 3.2. VARIABLES. GEOMÉTRICAS,. SEDIMENTOLÓGICAS. E. HIDRAÚLICAS................................................................................................... 60 3.2.1. MAGNITUDES GEOMÉTRICAS ....................................................... 60. 3.2.1.1. PENDIENTE DE LAS LADERAS ................................................ 60. 3.2.1.2. SECCIÓN TRANSVERSAL, ANCHO DEL CAUCE. ................... 61. 3.2.1.3. PROFUNDIDAD DE AGUA ......................................................... 61. 3.2.2. MAGNITUDES SEDIMENTOLÓGICAS ............................................. 62. 3.2.3. MAGNITUDES HIDRÁULICAS .......................................................... 62. 3.3. 3.2.3.1. VISCOSIDAD (PROPIEDAD DEL FLUIDO)................................ 62. 3.2.3.2. CAUDAL...................................................................................... 62. 3.2.3.3. VELOCIDAD ............................................................................... 63. ANÁLISIS. DIMENSIONAL. Y. ESTUDIO. DE. LOS. GRUPOS. ADIMENSIONALES DE LAS VARIABLES. ....................................................... 65 3.3.1. ANÁLISIS DE LA SOCAVACIÓN GENERAL .................................... 65. 3.3.2. ANÁLISIS DE LA SOCAVACIÓN EN ESTRECHAMIENTOS ............ 65. 3.3.3. ANÁLISIS DE LA SOCAVACIÓN EN CURVAS ................................ 69. 3.3.4. ESTRUCTURA PARA EL ANÁLISIS DE LA SOCAVACIÓN. LOCAL EN PILAS Y ESTRIBOS .................................................................... 70 3.4. CONCLUSIONES ................................................................................... 83. CAPITULO 4. ........................................................................................................ 86 RELACIONES EMPÍRICAS SOBRE LA SOCAVACIÓN GENERALIZADA .......... 86 4.1. GENERALIDADES. SOBRE. LA. SOCAVACIÓN. EN. RÍOS:. PROFUNDIZAMIENTO DEL CAUCE ................................................................ 86 4.1.1. PARA LECHOS COHESIVOS ........................................................... 87. 4.1.2. PARA LECHOS ALUVIALES O NO COHESIVOS ............................ 87. 4.2. DEFINICIONES. SOBRE. “SECCIÓN. ESTABLE”. O. “TEMPORALMENTE EN EQUILIBRIO” ............................................................. 87.

(10) X. 4.2.1. CANALES EROSIONABLES QUE SE SOCAVAN Y NO SE. SEDIMENTAN................................................................................................ 87. 4.3. 4.2.1.1. MÉTODO DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE ............................. 88. 4.2.1.2. MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA ....................................... 92. RELACIONES FUNCIONALES EXAMINADAS ...................................... 99. 4.3.1. PARA LECHOS COHESIVOS ......................................................... 100. 4.3.2. PARA LECHOS NO COHESIVOS................................................... 102. 4.4. COMPARACIÓN. DE. LAS. DIFERENTES. RELACIONES. FUNCIONALES EXAMINADAS ....................................................................... 106 4.5. EJEMPLO DE CÁLCULO Y ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS. RESULTADOS ................................................................................................ 109 4.6. CONLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................... 114. CAPITULO 5. ...................................................................................................... 116 RELACIONES EMPÍRICAS SOBRE LA SOCAVACIÓN LOCAL ........................ 116 5.1. GENERALIDADES SOBRE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN RÍOS:. ESTRECHAMIENTOS,. CURVAS. Y. ESTRUCTURAS. ESPECIALES. (PILAS Y ESTRIBOS DE PUENTES) .............................................................. 116 5.1.1. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRECHAMIENTOS ......................... 117. 5.1.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN CURVAS .............................................. 118. 5.1.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRUCTURAS ESPECIALES ........... 121. 5.1.3.1 5.2. PILAS DE PUENTES ................................................................ 121. RESUMEN. DE. LAS. RELACIONES. SEMIEMPÍRICAS. Y. EMPÍRICAS ..................................................................................................... 124 5.2.1. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRECHAMIENTOS ......................... 124. 5.2.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN CURVAS .............................................. 125. 5.2.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRUCTURAS ESPECIALES ........... 126. 5.3. 5.2.3.1. PILAS DE PUENTES ................................................................ 126. 5.2.3.2. ESTRIBOS ................................................................................ 128. RELACIONES FUNCIONALES, EXAMINADAS CON AYUDA DE. LOS PARÁMETOS ADIMENSIONALES ......................................................... 130 5.3.1. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRECHAMIENTOS ......................... 130. 5.3.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN CURVAS .............................................. 131.

(11) XI. 5.3.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRUCTURAS ESPECIALES ........... 136. 5.3.3.1. PILAS DE PUENTES ................................................................ 136. 5.3.3.2. ESTRIBOS ................................................................................ 146. 5.4. EJEMPLO DE CÁLCULO ..................................................................... 152. 5.5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS....................................................... 167. 5.6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 167. CAPITULO 6. ...................................................................................................... 170 PRÁCTICA PARA LOS ESTUDIANTES DE LA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL ................................................................................................................... 170 6.1. GENERALIDADES................................................................................ 170. 6.1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................. 170. 6.1.2. OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA ...................................................... 171. 6.2. FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................... 171. 6.2.1. PARA SOCAVACIÓN GENERAL .................................................... 171. 6.2.2. PARA SOCAVACIÓN EN ESTRECHAMIENTOS ........................... 175. 6.2.3. PARA SOCAVACIÓN EN CURVAS ................................................ 175. 6.2.4. PARA SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS Y ESTRIBOS .................. 175. 6.3. PROGRAMA. CREADO. PARA. LA. ESTIMACIÓN. DE. LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN. ............................................................... 176 6.3.1. DIAGRAMA DE FLUJO ................................................................... 176. 6.3.2. GUIA DEL USUARIO....................................................................... 179. 6.4. EJEMPLOS DE CÁLCULO ................................................................... 197. 6.4.1. EJEMPLO 1: .................................................................................... 197. 6.4.2. EJEMPLO 2: .................................................................................... 208. 6.4.3. EJEMPLO 3: .................................................................................... 218. 6.4.4. EJEMPLO 4: .................................................................................... 227. 6.4.5. EJEMPLO 5: .................................................................................... 237. 6.5. INSTRUCTIVO. PARA. LA. PRÁCTICA:. CÁLCULO. DE. LA. SOCAVACIÓN GENERAL EN CAUCES NATURALES .................................. 239 6.6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................ 248. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 249 ANEXOS ............................................................................................................. 252.

(12) XII. ANEXO Nº 1 ........................................................................................................ 253 FIGURAS ............................................................................................................ 253 ANEXO Nº 2 ........................................................................................................ 258 TABLAS .............................................................................................................. 258.

(13) XIII. INDICE DE TABLAS CAPÍTULO 1. TABLA 1. 1: CLASIFICACIÓN DE PARTÍCULAS POR SU TAMAÑO. ........................... 13 TABLA 1. 2: MODO DE TRANSPORTE VS ORIGEN DEL MATERIAL. ......................... 15. CAPÍTULO 2. TABLA 2. 1: RELACIÓN DE FORMA ANCHURA/CALADO (W/Y). .............................. 45 TABLA 2. 2: VALORES DEL COEFICIENTE DE FORMA K. ...................................... 46 TABLA 2. 3: TIPO DE MOVIMIENTO SEGÚN EL NÚMERO DE REYNOLDS. ................ 50. CAPÍTULO 3. TABLA 3. 1: FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FENÓMENO FÍSICO ........................ 55 TABLA 3. 2: VARIABLES QUE AFECTAN A LA SOCAVACIÓN. ................................. 60 TABLA 3. 3: FACTOR ω EN RELACIÓN A RC / W. ................................................. 69 TABLA 3. 4: CLASIFICACIÓN DE. LOS PROCESOS DE SOCAVACIÓN LOCAL EN. LAS CIMENTACIONES DE PUENTES. ............................................. 74. TABLA 3. 5: COMPARACIÓN. DE LAS PROFUNDIDADES DE SOCAVACIÓN EN. DIFERENTES TIPOS DE PILAS. ..................................................... 77. CAPÍTULO 4. TABLA 4. 1: VELOCIDADES FORTIER. Y. MÁXIMAS PERMISIBLES RECOMENDADAS POR. SCOBEY,. Y LOS VALORES DE LAS. FUERZAS. TRACTIVAS (PARA CANALES RECTOS Y SENILES). ......................... 89. TABLA 4. 2: CONSTANTES. PARA LAS DIFERENTES FÓRMULAS PARA EL. CÁLCULO DE SOCAVACIÓN GENERAL......................................... 105. TABLA 4. 3: DETERMINACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN CON. LAS DIFERENTES FÓRMULAS. ................................................... 106.

(14) XIV. CAPÍTULO 5. TABLA 5. 1: ECUACIONES PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN EN ESTRECHAMIENTOS. ............................................................... 124. TABLA 5. 2: ECUACIONES. PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN. LOCAL EN PILAS. ..................................................................... 127. TABLA 5. 3: ECUACIONES. PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN. LOCAL EN PILAS. ..................................................................... 128. TABLA 5. 4: ECUACIONES. PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN. LOCAL EN ESTRIBOS.. .............................................................. 129. TABLA 5. 5: VALORES DE LOS COEFICIENTES K1, K2 Y K3. ............................... 130 TABLA 5. 6 : EFECTO DE LA CURVATURA EN LA PROFUNDIDAD DEL CAUCE......... 131 TABLA 5. 7: VALORES DE τ, EN FUNCIÓN DE W/RC. ......................................... 134 TABLA 5. 8: VALORES DE ε, EN FUNCIÓN DE W/RC. ......................................... 135 TABLA 5. 9: TIEMPO DE DESPLAZAMIENTO DE LA CURVA BAJO UN PUENTE. ........ 136 TABLA 5. 10: FACTORES. DE FORMA PARA PILAS UNIFORMES Y ESTRIBOS. PEQUEÑOS............................................................................. 140. TABLA 5. 11: FACTORES MULTIPLICADORES (KSKΦ) PARA LOS PILOTES EN GRUPO. ................................................................................. 141. TABLA 5. 12: FACTOR. DE CORRECCIÓN POR RUGOSIDAD GENERAL DEL. CAUCE. .................................................................................. 145. TABLA 5. 13: FACTOR DE ALINEACIÓN PARA ESTRIBOS, KΘ.............................. 149 TABLA 5. 14: DATOS DEL EJEMPLO. ............................................................... 152 TABLA 5. 15: RESULTADOS. DE LA ESTIMACIÓN DE LA PROFUNDIDAD DE. SOCAVACIÓN CON LAS DISTINTAS FÓRMULAS. ............................ 166.

(15) XV. CAPÍTULO 6. TABLA 6. 1: PERFIL DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL PARA EL EJEMPLO 1. ........... 199 TABLA 6. 2: DATOS DEL EJEMPLO 3. .............................................................. 218 TABLA 6. 3: DATOS DEL EJEMPLO 4. .............................................................. 227 TABLA 6. 4: DATOS DEL EJEMPLO 5. .............................................................. 237.

(16) XVI. INDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1. FIGURA 1. 1: RÍO ALUVIAL (ENCARTA).............................................................. 3 FIGURA 1. 2: FLUJO TURBULENTO .................................................................... 8 FIGURA 1. 3: FLUJO LAMINAR ........................................................................... 9 FIGURA 1. 4: FLUJO LINEAL ROTACIONAL ........................................................ 10 FIGURA 1. 5: FLUJO CURVILÍNEO ROTACIONAL ................................................ 10 FIGURA 1. 6: FLUJO IRROTACIONAL ................................................................ 11 FIGURA 1. 7: EJES IMAGINARIOS DE UNA PARTÍCULA. ....................................... 12 FIGURA 1. 8: CURVA GRANULOMÉTRICA CONTINUA ......................................... 12 FIGURA 1. 9 : DISTRIBUCIÓN DISCRETA O CONTINUA DE LOS TAMAÑOS. ............. 13 FIGURA 1. 10: TRAMO RECTO DE UN CAUCE NATURAL ..................................... 20 FIGURA 1. 11: CAUCE TRENZADO O DIVAGANTES ............................................ 21 FIGURA 1. 12: CAUCE SINUOSO ..................................................................... 22 FIGURA 1. 13: THALWEG................................................................................ 22 FIGURA 1. 14: TIPOS DE MEANDROS............................................................... 23 FIGURA 1. 15: REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA FORMACIÓN DE UN CAUCE NATURAL.. FIGURA. 1.. 16:. ................................................................................ 25. COMPARACIÓN. ADIMENSIONALES.. FIGURA 1. 17: FORMAS. DE. CURVAS. GRANULOMÉTRICAS. .................................................................... 28. DEL LECHO EN ARENAS CONFORME AUMENTA. VELOCIDAD. ............................................................................. 31. FIGURA 1. 18: BARRAS. ALTERNADAS EN UN CAUCE ANCHO, RECTO Y. SOMERO. ................................................................................. 34. FIGURA 1. 19: BARRAS ALTERNADAS Y SU RELACIÓN CON LA MORFOLOGÍA MEANDRIFORME. ...................................................................... 34.

(17) XVII. CAPÍTULO 2. FIGURA 2. 1: SOCAVACIÓN LOCAL EN CAÍDAS................................................... 39 FIGURA 2. 2: VÓRTICES EN HERRADURA EN UNA PILA. ...................................... 40 FIGURA 2. 3: VÓRTICES EN ESTELA EN UNA PILA. ............................................. 41 FIGURA 2. 4: VÓRTICES EN EXTREMO EN UNA PILA. .......................................... 41 FIGURA 2. 5: DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES Y CAUDAL DE UN RÍO, EN UNA SECCIÓN TRANSVERSAL. ........................................................... 43. FIGURA 2. 6: CARACTERIZACIÓN. DEL. MATERIAL. DIFERENTES TRAMOS DE UN RÍO.. SÓLIDO. EN. LOS. ............................................... 47. FIGURA 2. 7: ÁBACO DE SHIELDS ................................................................... 49 FIGURA 2. 8: MOVIMIENTO TURBULENTO RUGOSO. ........................................... 50 FIGURA 2. 9: MOVIMIENTO TURBULENTO LISO. ................................................. 50 FIGURA 2. 10: FUERZAS ACTUANTES EN UNA PARTÍCULA, PARA EL UMBRAL DE MOVIMIENTO. ....................................................................... 51. FIGURA 2. 11: DISTRIBUCIÓN. DE TENSIONES Y DE VELOCIDADES EN UNA. CORRIENTE DE SUPERFICIE LIBRE.. FIGURA 2. 12 : EFECTO. ............................................. 52. DE LA VEGETACIÓN EN LA DISTRIBUCIÓN DE. VELOCIDADES Y DE TENSIONES. ................................................. 53. CAPÍTULO 3. FIGURA 3. 1: VELOCIDAD DE CAÍDA VS. EL DIÁMETRO DE LA PARTÍCULA. ............ 64 FIGURA 3. 2: FLUJO. UNIFORME EN UNA CONTRACCIÓN RECTANGULAR. LARGA. .................................................................................... 66. FIGURA 3. 3: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN EN. ESTRECHAMIENTOS SEGÚN GILL. ............................................... 67. FIGURA 3. 4: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN EN. ESTRECHAMIENTOS SEGÚN LAURSEN. ........................................ 68.

(18) XVIII. FIGURA 3. 5: VISTA. EN PLANTA DEL RADIO DE CURVATURA, Y VISTA EN. CORTE DE LA MÁXIMA PROFUNDIDAD EN CURVAS. ........................ 69. FIGURA 3. 6: SOCAVACIÓN. LOCAL EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD Y EL. TIEMPO. ................................................................................... 73. FIGURA 3. 7: TIPOS DE PILAS Y ESTRIBOS. ....................................................... 76 FIGURA 3. 8: COMPARACIÓN. DE LAS PROFUNDIDADES DE SOCAVACIÓN EN. DIFERENTES TIPOS DE PILAS. ..................................................... 78. FIGURA 3. 9: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL. RESPECTO A LA FORMA DEL ESTRIBO. ......................................... 80. FIGURA 3. 10: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL. RESPECTO A LA ALINEACIÓN DE LA PILA. ..................................... 81. FIGURA 3. 11: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL. RESPECTO A LA ALINEACIÓN DE ESTRIBOS LARGOS. ..................... 82. FIGURA 3. 12: VARIACIÓN. DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL. RESPECTO A LA ALINEACIÓN DE ESTRIBOS LARGOS. ..................... 83. CAPÍTULO 4. FIGURA 4. 1: VELOCIDADES. MÁXIMAS PERMISIBLES RECOMENDADAS EN. SUELOS NO COHESIVOS. (URSS).. ............................................. 90. FIGURA 4. 2: VELOCIDADES MÁXIMAS PERMISIBLES EN SUELOS COHESIVOS (URSS). ................................................................................. 90 FIGURA 4. 3: CORRECCIÓN. POR PROFUNDIDAD PARA LAS VELOCIDADES. PERMISIBLES PARA SUELOS COHESIVOS Y NO COHESIVOS. (URSS). ................................................................................. 91 FIGURA 4. 4: EQUILIBRIO. DE FUERZAS ENTRE PESO Y. FRICCIÓN.. SE. SUPONE I =I (MOVIMIENTO UNIFORME). ....................................... 93. FIGURA 4. 5: CÁLCULO DE LA TENSIÓN POR FRANJAS VERTICALES. .................... 94 FIGURA 4. 6: DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES E ISOTACAS.................................... 94 FIGURA 4. 7: DISTRIBUCIÓN DE TENSIONES. .................................................... 95.

(19) XIX. FIGURA 4. 8: ANÁLISIS MECÁNICO DE UNA PARTÍCULA EN UN TALUD. .................. 98 FIGURA 4. 9: SECCIÓN NO EROSIONABLE......................................................... 98 FIGURA 4. 10: REPRESENTACIÓN DE LA ALTURA DE SOCAVACIÓN HS. ................ 99 FIGURA 4. 11: VARIACIÓN DEL PARÁMETRO “O”. ............................................. 101 FIGURA 4. 12: COMPARACIÓN DE APLICACIÓN DE LAS FÓRMULAS. ................... 107 FIGURA 4. 13: COMPARACIÓN. DE LAS FÓRMULAS, HASTA. 20. M DE. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN, CASO DE RÍOS ALUVIALES. ........ 107. FIGURA 4. 14: COMPARACIÓN. DE LAS FÓRMULAS, HASTA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN.. FIGURA 4. 15: COMPARACIÓN. M DE. .............................................. 108. DE LAS FÓRMULAS, HASTA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN.. 10. 10. M DE. .............................................. 108. FIGURA 4. 16: SECCIÓN TRANSVERSAL PARA EL EJEMPLO. ............................. 110 FIGURA 4. 17: REPRESENTACIÓN. GRÁFICA DE LA PROFUNDIDAD MEDIA DE. SOCAVACIÓN HMS. .................................................................. 113. CAPÍTULO 5. FIGURA 5. 1: VÓRTICES QUE SE FORMAN EN UNA PILA DE PUENTE. .................. 122 FIGURA 5. 2: PILA VOLCADA EN EL ORIFICIO CAUSADO POR LA SOCAVACIÓN LOCAL. .................................................................................. 122. FIGURA 5. 3: DIAGRAMA SEGÚN CHABERT Y ENGELDINGER (1956). ................ 123 FIGURA 5. 4: DIAGRAMA SEGÚN RAUDKIVI (1981). ......................................... 123 FIGURA 5. 5: REPRESENTACIÓN. DE PARÁMETROS GEOMÉTRICOS PARA LA. DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN EN CURVAS. ...................... 126. FIGURA 5. 6: REPRESENTACIÓN DE PARÁMETROS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS ......................................... 126. FIGURA 5. 7: REPRESENTACIÓN DE PARÁMETROS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS. .................................. 128. FIGURA 5. 8: PARA LA DETERMINACIÓN DE M EN FUNCIÓN DE H Y B. ................ 134.

(20) XX. FIGURA 5. 9: INFLUENCIA. DE. LA. SUPERFICIE. DEL. FLUJO. EN. LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS. ....................... 137. FIGURA 5. 10: INFLUENCIA. DEL GROSOR DE LOS SEDIMENTOS EN LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL.. .................................... 139. FIGURA 5. 11: REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN PARA KT, PARA TIEMPOS DE EQUILIBRIO (Y/D>6).. ............................................ 143. FIGURA 5. 12: FACTOR KΣ EN FUNCIÓN DE ΣG. .............................................. 144 FIGURA 5. 13: INFLUENCIA. DE LA SUPERFICIE DEL FLUJO EN LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS. ................. 147. FIGURA 5. 14: INFLUENCIA. DE. LA. INTENSIDAD. DE. FLUJO. EN. LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS PARA SEDIMENTOS UNIFORMES. ....................................................... 148. FIGURA 5. 15: INFLUENCIA. DE. LA. INTENSIDAD. DE. FLUJO. EN. LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS PARA SEDIMENTOS NO UNIFORMES. .................................................. 148. FIGURA 5. 16: INFLUENCIA. DE LA GEOMETRÍA DEL CANAL EN LA. PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS. ................. 151. FIGURA 5. 17: DIAGRAMA DEL EJEMPLO. ....................................................... 152 FIGURA 5. 18: FACTOR DE LA GRADACIÓN DE LAS PARTÍCULAS EN FUNCIÓN DE LA DESVIACIÓN ESTÁNDAR, σG. ........................................... 159. FIGURA 5. 19: COMPARACIÓN. DE LOS RESULTADOS DE LA PROFUNDIDAD. DE SOCAVACIÓN OBTENIDOS CON LAS DISTINTAS FÓRMULAS ...... 166. CAPÍTULO 6. FIGURA 6. 1: REPRESENTACIÓN SOCAVACIÓN GENERAL.. FIGURA 6. 2: PROCEDIMIENTO. DE. LA. PROFUNDIDAD. MEDIA. DE. .......................................................... 171. PARA EL CÁLCULO DEL PERFIL DE LA. SOCAVACIÓN GENERAL EN CAUCES NATURALES SEGÚN MAZA. (SUELOS HOMOGÉNEOS/HETEROGÉNEOS). .............................. 176.

(21) XXI. FIGURA 6. 3: PROCEDIMIENTO GENERAL. A. PARA EL CÁLCULO DE LA SOCAVACIÓN. LARGO. PLAZO. (PROFUNDIDAD. MEDIA. DE. SOCAVACIÓN)......................................................................... 178. FIGURA 6. 4: PERFIL DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL PARA EL EJEMPLO 1. ......... 198 FIGURA 6. 5: DIAGRAMA DEL EJEMPLO 3. ...................................................... 218 FIGURA 6. 6: DATOS DEL EJEMPLO 4. ............................................................ 227 FIGURA 6. 7: DIAGRAMA DEL EJEMPLO 5. ...................................................... 237.

(22) XXII. INDICE DE FOTOS CAPÍTULO 1. FOTO 1. 1 : RIO CHOTA - ECUADOR................................................................... 3 FOTO 1. 2 : RÍO XESTA – GALICIA ..................................................................... 4 FOTO 1. 3 : RÍO AGUAS DEBAJO DE LA CASCADA DE PEGUCHE – ECUADOR. ......... 4 FOTO 1. 4 : RÍO PAS – ESPAÑA ......................................................................... 5 FOTO 1. 5 : TORRENTE DEL PICO LUSTOU - FRANCIA .......................................... 5 FOTO 1. 6 : PIEDEMONTE AMAZÓNICO – COLOMBIA ............................................ 6 FOTO 1. 7 : FLUJO TURBULENTO ....................................................................... 7 FOTO 1. 8: FLUJO LAMINAR ............................................................................... 8 FOTO 1. 9: RÍO ACORAZADO ........................................................................... 14 FOTO 1. 10: RÍO BUENO – CHILE .................................................................... 20 FOTO 1. 11 : RÍO GUAYURIBA – EL CAIRO ....................................................... 21 FOTO 1. 12 : RÍO AMAZONAS – AMÉRICA DEL SUR............................................ 22 FOTO 1. 13 : RÍO COLORADO – ESTADOS UNIDOS ............................................ 23 FOTO 1. 14: RÍO VILLA TRAFUL – ARGENTINA .................................................. 24 FOTO 1. 15: RÍO URUBAMBA – PERÚ. DEPÓSITO. ALUVIAL RECIENTE CON. GRAVAS Y ARENAS GRUESAS ..................................................... 24. FOTO 1. 16: RÍO MIRA – ECUADOR. ................................................................ 27 FOTO 1. 17: RÍO MACHÁNGARA - ECUADOR ..................................................... 28. CAPÍTULO 3. FOTO 3. 1: RÍO CAMÚ – REPÚBLICA DOMINICANA ............................................. 56.

(23) XXIII. CAPÍTULO 5. FOTO 5. 1: SOCAVACIÓN EN ESTRECHAMIENTO. ............................................. 117 FOTO 5. 2: SOCAVACIÓN EN ESTRECHAMIENTO. ............................................. 118 FOTO 5. 3: SOCAVACIÓN EN CURVAS 1. ......................................................... 118 FOTO 5. 4: SOCAVACIÓN EN CURVAS 2. ......................................................... 119 FOTO 5. 5: SOCAVACIÓN EN CURVAS DE UN RÍO MEÁNDRICO. .......................... 120 FOTO 5. 6: SOCAVACIÓN EN CURVAS DE UN RÍO CON CURVAS ERRANTES. ......... 120 FOTO 5. 7: SOCAVACIÓN EN CURVAS DE UN RÍO CON CURVAS IRREGULARES ..... 120.

(24) XXIV. SIMBOLOGÍA A. Área mojada.. Ae. Área del flujo obstruido en el estribo. Al. Alineación de la pila o estribo.. B. Ancho de la cimentación, donde B ≡ b (ancho de pila para pilas), y B ≡ L [longitud proyectada del estribo, incluyendo el terraplén de aproximación (medido perpendicularmente al flujo), para estribos].. b*. Ancho del caisson, cabeza de pilotes o zapata (m).. be. Ancho de una pila uniforme equivalente (m).. bp. Ancho proyectado de la cimentación (m).. d16. Tamaño donde el 16% del material es fino (mm).. d50. Tamaño donde el 50% del material es fino (mm).. d50a. Tamaño donde el 50% del material es fino (acorazamiento), (mm).. d84. Tamaño donde el 84% del material es fino (acorazamiento), (mm).. d90. Tamaño donde el 90% del material es fino (mm).. d95. Tamaño donde el 95% del material es fino (mm).. dm. Diámetro medio del sedimento (mm).. ds. Profundidad de socavación local en pilas (m).. dse. Profundidad de socavación en equilibrio en estrechamientos (m).. D. Diámetro de pila circular (m) - Para el cálculo del tiempo de duración de crecida (CAPITULO V). Fr. Número de Froude.. FrB. Número de Froude basado en el tamaño de la cimentación.. g. Aceleración de la gravedad; 9.81m/s2.. hmo. Profundidad media del flujo desde el nivel de diseño hasta el fondo sin socavar (m).. hms. Calado medio del flujo luego de la socavación general (m).. ho. Profundidad del flujo desde el nivel de diseño hasta la profundidad mayor del nivel de agua normal (m).. Ho. Diferencia entre el nivel del fondo antes de la avenida (en el punto de análisis) y el nivel máximo del agua (m)..

(25) XXV. H (hd). Altura de dunas. hs. Calado del flujo desde el nivel de diseño hasta el máximo nivel de socavación general.. Hs. Profundidad de socavación en el punto de análisis (m).. i. Pendiente del fondo. I. Pendiente hidráulica. k. Constante de Von Karman. kr. Altura de los elementos de rugosidad (kr = 0.75d95).. K. Coeficiente de forma de la sección. K3. Factor en función de la altura de la duna. K4. Factor en función de la uniformidad de la gradación. Kd. Factor de Tamaño del sedimento.. KG. Factor de Geometría del canal.. KI. Factor de Intensidad de flujo.. Ks. Factor de Forma de la pila o del estribo.. Kσ. Factor de Gradación del material.. Kt. Factor de Tiempo.. KyB. Factor Calado - tamaño ≡ Kyb para pilas y KyL para estribos; (m).. Kθ , KΦ Factor de Alineación de estribo o pila, respectivamente. l. Longitud de la pila (lado largo), (m).. L. Longitud total proyectada del estribo (m).. L*. Longitud proyectada del estribo atravesando la llanura de inundación (m).. m. Factor para determinar el caudal unitario sólido.. m1. Coeficiente de las condiciones de funcionamiento.. mh. Coeficiente que toma en cuenta el nivel de agua en la planicie de inundación.. n. Coeficiente de rugosidad de Manning en el cauce principal.. n*. Rugosidad de Manning en las llanuras de inundación.. o. Parámetro que depende de la rugosidad relativa, para suelos cohesivos.. P. Perímetro mojado.. P.A.. Estribo de pared con aleros..

(26) XXVI. P.V.. Estribo de pared vertical.. q. Caudal unitario.. qs. Caudal unitario del sedimento.. Q. Caudal de diseño (m3/s).. Qe. Caudal obstruido por el estribo. Qs. Caudal sólido (m3/s).. Q1f. Caudal en las llanuras de inundación (m3/s).. Qm. Caudal en el cauce principal (m3/s).. rc. Radio del eje central de la curva (m).. ro. Radio externo de la curva (m).. R. Radio hidráulico.. Re. Número de Reynolds.. Sh. Parámetros que describen la forma.. Ss. Gravedad específica del material del lecho (Ss = γs/γγ).. t. Tiempo de duración del pico de crecida (días).. te. Tiempo para el equilibrio de la socavación (días).. T.. Estribo de pared con terraplén.. u*. Velocidad de corte (m/s).. u*c. Velocidad de corte crítica (m/s).. u*ca. Velocidad de corte crítica de acorazamiento (m/s).. V. Velocidad media del flujo (m/s).. Va. Velocidad de acorazamiento (m/s).. Vc. Velocidad media crítica (m/s).. Vca. Velocidad crítica de acorazamiento (m/s).. Vc50. Velocidad crítica para el material d50, (m/s).. Vc90. Velocidad crítica para el material d90, (m/s).. Vi. Velocidad de aproximación a la cual se inicia la socavación en las pilas, d90, (m/s).. VR. Relación de velocidades (Richardson y Davis – 1995). vn. Velocidad no erosiva en las proximidades del lecho, (m/s).. w. Ancho del fondo (m). W. Ancho del espejo de agua (m). We. Ancho efectivo (m).

(27) XXVII. W1. Ancho de la sección, aguas arriba del estrechamiento (m).. W2. Ancho de la sección en el estrechamiento (m).. yo. Ordenada en el origen. y. Calado medio en el cauce principal (m).. y*. Calado en el cauce principal y en las llanuras de inundación (m).. ya. Calado medio en las llanuras de inundación (m).. y1. Calado aguas arriba del estrechamiento (m).. y2. Calado en el estrechamiento (m).. ybs. Profundidad de socavación en curvas (m).. yf. Calado durante una crecida (m).. yr. Profundidad de régimen (m).. yu. Profundidad media aguas arriba de la curva (m).. Y. Posición de la parte superior del caisson, cabeza de pilotes o zapata, respecto a la superficie del agua, puede ser – o + (m).. α. Pendiente del las pilas en cono = 22.5°; coeficient e de rugosidad (MAZA: Suelos heterogéneos).. β. Relación de contracción (W1/W2); coeficiente de paso, que depende de la frecuencia con que se repite la avenida en estudio (MAZA: Suelos heterogéneos). δ. Subcapa límite laminar.. γ. Peso específico del agua (T/m3).. γs. Peso específico seco (T/m3) - Para suelos granulares = 2.65.. γs - γ. Peso específico sumergido (T/m3)- Para suelos granulares = 1.65.. ν. Viscosidad cinemática.. τ. Esfuerzo cortante del lecho.. τc. Esfuerzo cortante crítico en el umbral de movimiento.. Ω. Ángulo de rozamiento interno entre partículas.. µ. Factor de contracción (MAZA: Suelos heterogéneos).. µ,. Viscosidad dinámica. ρ. Densidad del fluido..

(28) XXVIII. ρs. Densidad del sedimento.. σg. Desviación geométrica estándar de la distribución del tamaño de las partículas del sedimento.. Φ. Ángulo de desviajamiento, o ángulo de incidencia en pilas.. Υ. Angulo entre estribo y la margen del río, medido desde aguas abajo. ω. Velocidad de caída de la partícula (m/s).. λ. Longitud de onda de las barras. X. Ángulo de la pendiente del fondo de una franja de sección.. ε. Coeficiente para la fórmula de Altunin. Μ. Identificador del tipo de curva.

(29) XXIX. RESUMEN. El comportamiento de los cauces naturales cambia frente a las crecidas y a la intervención humana, ya que estos buscan mantener su equilibrio. Así, la socavación constituye un fenómeno importante a considerar en el diseño de cruces fluviales como por ejemplo en las pilas y/o estribos de un puente. Se distingue dos tipos de socavación la general y la local (estrechamientos, curvas y pilas y estribos). La socavación general puede ocurrir con o sin la presencia de una estructura en periodos de tiempo cortos en una o varias crecidas, o largos el cual puede tardar años. La socavación local está inducida por remolinos y vórtices generados por la obstrucción del flujo, lo que implica un cambio de dirección del mismo.. Las ecuaciones recopiladas en este trabajo son de origen empírico y se basan en diversas hipótesis necesarias para determinar la profundidad máxima de socavación que se pueda presentar. Los resultados obtenidos de la comparación de las fórmulas sugieren la aplicación controlada de las ecuaciones dependiendo de la formación del curso natural en planta, en corte (sección transversal), y del transporte de sedimentos.. Por lo expuesto anteriormente, se ha propuesto un programa didáctico, el cual permite el cálculo de los diferentes tipos de socavación y la comparación de los resultados obtenidos con las fórmulas. de varios autores. Lo cual permite la. elección de la profundidad de socavación calculada, para cada caso en particular. Esta elección no debe basarse solamente en los resultados obtenidos mediante las ecuaciones, sino también, del buen criterio, experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema por parte del ingeniero evaluador.. Palabras claves: cauce natural, socavación, socavación general, socavación local, programa didáctico..

(30) XXX. ABSTRACT. The behavior of natural riverbeds changes when faced with floods and human intervention, since these try to maintain their balance. Thus, the scour is an important occurrence that has to be considered in the design of river crossings, as for example, of the piers and/or abutments. There are two types of scour, general scour and local scour (the contractions, the curves, the piers and abutments). The general scour can occur with or without the existence of a structure during one of several brief floods, or during a lengthy flood that can last for years. The local scour is triggered by vortices caused by an obstacle in the flow or current. This in turn means there has been a change in the current’s direction.. The compiled equations in this report are of an empirical nature and are based on various hypotheses necessary to determine the greatest depth that a scour can reach. The results obtained by comparing the different formulas suggest the controlled application of the equations, depending on the formation of the natural flow, of the cut of the transversal section and of the manner in which the sediments are moved.. On the basis of what has previously been stated, an educational program has been proposed, one that allows the computation of different types of scour and their comparison to the results achieved by several authors. This, in turn, makes it possible to choose, for each case, the depth of the estimated scour. This choice must not be based solely on the results obtained through the equations, but the evaluating engineer must also make the choice on the basis of good criteria, experience and the knowledge of the variables involved in this problem.. Key words: Natural riverbed, scour, general scour, local scour, didactic program..

(31) XXXI. PRESENTACIÓN El presente trabajo constituye un estudio detallado de la socavación general y local para el mejor entendimiento del fenómeno, para así, sintetizar la solución del problema con la elaboración de un programa didáctico.. El trabajo se inicia con conceptos básicos de la ingeniería de ríos, seguido por las definiciones básicas sobre la socavación. En las siguientes secciones se describen los mecanismos de socavación los cuales incluyen los factores y variables que influyen en el fenómeno, el análisis dimensional y estudio de las relaciones adimensionales.. En los siguientes capítulos se recopila y estudia las fórmulas para la socavación generalizada, así como para la socavación local. Este estudio se resume en tablas que incluyen la aplicabilidad de las fórmulas. Además, se incluyen ejemplos que muestran la utilización de las ecuaciones más recomendables.. Por último se propone una práctica para los estudiantes de la carrera de ingeniería civil en base al programa didáctico desarrollado, el cual contiene un manual que muestra sus limitaciones..

(32) 1. CAPITULO 1. GENERALIDADES. 1.1 DEFINICIONES BÁSICAS DE INGENIERÍA DE RÍOS La ingeniería de ríos trata del efecto de las intervenciones humanas en los ríos para su adecuación al aprovechamiento de los recursos o a la reducción de riesgos. Se ocupa de los efectos que las estructuras puedan tener sobre el cauce natural, su valle, su cuenca y la comunidad que se asienta en sus riberas.. 1.1.1. 1.1.1.1. CAUCE NATURAL. Definición “Un río es una corriente de agua que fluye por un lecho, desde un lugar elevado a otro más bajo, vertiendo su agua en el mar, en un lago o en otro río.” 1 Algunos desaparecen debido a la filtración o evaporación, denominándose a éstos ríos estacionales. También se lo puede definir como un elemento natural que recoge las aguas de una cuenca y las transporta en lámina libre hasta su desembocadura. Las características de un río son determinadas con estudios tanto de hidráulica fluvial como hidrología y geomorfología, entre ellas se tiene la cantidad de agua que transporta, de qué tipo de material es su lecho, entre otras.. 1. Microsoft Corporation (2007), “Microsoft Student con Encarta Premium”, Sección “Geografía: “Río”..

(33) 2. En un cauce natural, el caudal es variable en el tiempo y en el espacio. Su recorrido es el que puede variar en el transcurso del tiempo, generando meandros debidos a la sinuosidad de las trayectorias. Los contornos del cauce sufren variaciones como el cambio en la profundidad y/o en su ancho.. 1.1.1.2. Clasificación de los ríos Los ríos varían debido a factores como el clima, el relieve, la geografía, tamaño de agregados, por lo que se tiene la siguiente clasificación:. 1.1.1.2.1. Periodo de Actividad ♦ Ríos Efímeros, son aquellos que llevan el agua en eventos de fuertes. precipitaciones, manteniéndose secos por el resto del tiempo. Se encuentran comúnmente en climas áridos y semiáridos. ♦ Ríos Perennes, son aquellos que tienen cursos de agua situados en. regiones de abundantes lluvias que son muy poco variables a lo largo del año.. 1.1.1.2.2. Granulometría ♦ Ríos. Aluviales, son aquellos que circulan sobre sedimentos. generados por el propio río, estos sedimentos están conformados por material granular suelto. Estos ríos al desbordarse forman llanuras aluviales conformadas por arena, grava y arcilla. En estos cauces se presentan la mayor cantidad de problemas como por ejemplo los asentamientos poblacionales..

(34) 3. FIGURA 1. 1: Río Aluvial (Encarta). FOTO 1. 1 : Rio Chota - Ecuador ♦ Ríos de lecho rocoso, a lo contrario de los aluviales, son aquellos. ríos que se encuentran en los valles y con menos problemas para los asentamientos poblacionales. Estos ríos están conformados por grava..

(35) 4. FOTO 1. 2 : Río Xesta – Galicia. 1.1.1.2.3. Geografía ♦ “Río de montaña, es aquel cuyo curso tiene una pendiente. longitudinal superior al 0,2 %.” 2 Debido a la fuerte pendiente, la capacidad de transporte de sedimentos es muy elevada. Puede transportar sedimentos de tamaños que van desde arcilla hasta grava.. FOTO 1. 3 : Río aguas debajo de la Cascada de Peguche – Ecuador. 2. JARRETT, R.D. (1990), “Hydrologic and hydraulic research in mountain rivers”. Water Resources Bulletin. 26, 3: 419-429..

(36) 5. ♦ Ríos de llanura, tienen como característica un perfil formado por. tierra o tierra caliza. Su caudal es constante, por tener poca velocidad no pueden imponer su cauce al terreno, por lo que son sinuosos.. FOTO 1. 4 : Río Pas – España. 1.1.1.2.4. Pendiente ♦ “Torrentes, son cursos de agua que se encuentran en la zona de. montaña con pendientes mayores al 6%.”3 Están conformados por materiales gruesos y sus crecientes son de corta duración.. FOTO 1. 5 : Torrente del Pico Lustou - Francia 3. MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág. 26.

(37) 6. ♦ Ríos Torrenciales, son aquellos que se encuentran en piedemonte. donde se depositan los sedimentos de los torrentes. No transportan de manera permanente un caudal sólido y están compuestos de materiales como grava y cantos rodados. “Su pendiente es mayor a 1.5% y menor a la de los torrentes.” 4. FOTO 1. 6 : Piedemonte Amazónico – Colombia. 1.1.2. 1.1.2.1. HIDRÁULICA FLUVIAL. Definición Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento natural de los ríos, haciendo referencia a los caudales, las velocidades de flujo, la capacidad de transporte de sedimentos, además del planteamiento de técnicas para el diseño de obras de protección contra los ataques a las márgenes debido a la erosión y las variaciones del fondo causadas por la socavación.. 4. MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág. 26.

(38) 7. 1.1.2.2. Movimiento De Las Partículas La Cinemática de los Fluidos trata del movimiento de sus partículas (pequeñas masas molares) en base del conocimiento de las magnitudes como la velocidad, aceleración y rotación, sin tomar en cuenta la masa o las fuerzas que actúan. Para describir el movimiento completo de un fluido se requiere de la experimentación ya que la naturaleza del flujo real es muy compleja por lo que las leyes básicas de la cinemática de los fluidos no pueden formularse ni utilizarse matemáticamente. El flujo se puede clasificar de varias formas, de acuerdo a los parámetros más importantes: cantidad de movimiento, tiempo, espacio, campo rotacional, viscosidad.. 1.1.2.2.1. Cantidad de Movimiento ♦ Turbulento: En este tipo de flujo, el movimiento de las partículas es desorganizado, es decir, que se mueven en trayectorias erráticas, causando un intercambio de cantidad de movimiento de una parte de fluido a otra. La acción de la viscosidad es despreciable.. FOTO 1. 7 : Flujo Turbulento.

(39) 8. FIGURA 1. 2: Flujo Turbulento ♦ Laminar: Las partículas siguen trayectorias muy bien definidas, dando la impresión de que se trata de láminas o capas, por lo que no existe gran intercambio en la cantidad de movimiento. En este tipo de flujo, la acción de la viscosidad amortigua las tendencias a la turbulencia. El flujo laminar es gobernado por la ley de viscosidad de Newton:. En donde: τ, es el esfuerzo tangencial entre capa y capa; δν/δ δy, gradiente transversal de velocidades; µ, viscosidad dinámica.. FOTO 1. 8: Flujo laminar.

(40) 9. FIGURA 1. 3: Flujo Laminar. 1.1.2.2.2. Tiempo ♦ Permanentes: Cuando las características del movimiento del fluido en cualquier punto no cambian en el tiempo. La velocidad no cambia en magnitud ni en dirección, así también la densidad, la presión y la temperatura. ♦ No Permanentes: Cuando las condiciones en cualquier punto del fluido varían a través del tiempo en módulo y/o en dirección.. 1.1.2.2.3. Espacio ♦ Uniforme: El vector velocidad es idéntico en módulo, dirección y sentido en cualquier punto del fluido con respecto al espacio. ♦ No Uniforme: El vector velocidad varía de punto a punto en cualquier instante. No se refiere sobre el cambio de velocidad en un punto respecto al tiempo.. 1.1.2.2.4. Campo Rotacional ♦ Rotacional: “Un flujo es rotacional o vorticoso cuando las partículas de un fluido en el interior de una región tienen rotación respecto a un eje cualquiera.”5. 5. SANCHIS SABATER, ANTONIO. (1999), “Fundamentos Físicos para Ingenieros, Vol. I ”, Universidad Politécnica de Valencia, REPROVAL, S.L. , Pág. 355.

(41) 10. El vector rotacional v, perpendicular a la hoja de papel, adquiere valores distintos de cero.. FIGURA 1. 4: Flujo Lineal Rotacional. FIGURA 1. 5: Flujo Curvilíneo Rotacional. ♦ No Rotacional: Se lo conoce también como flujo Irrotacional. Las partículas carecen de rotación. En este tipo de flujo el vector rotacional v es igual a cero para cualquier punto o instante..

(42) 11. FIGURA 1. 6: Flujo Irrotacional. 1.1.2.2.5. Viscosidad ♦ Reales: sus características varían respecto al tiempo y al espacio. La viscosidad es la principal característica de este fluido. La velocidad en un punto es diferente de cero y en una frontera sólida es igual a cero. ♦ Ideales: Este tipo de flujo es incompresible, considera nula la fricción, es decir, no es viscoso.. 1.1.2.3. Granulometría En los ríos se tiene dos diferentes tipos de material que conforman el lecho: ♦ Cohesivos: Las transformaciones del cauce son muy lentas debido a una mayor resistencia a la erosión que es debida a las características del material que conforma el lecho, tales como, la poca porosidad y alto peso específico. ♦ Granulares: Lecho compuesto por partículas sueltas de distinto tamaño desde fino hasta grueso. En lechos de este tipo la propiedad más importante de una partícula es su peso específico, el mismo que varía poco en cauces naturales. Por esta razón se considera un valor medio de peso específico seco γs = 2.65 T/m3 o la gravedad.

(43) 12. específica Gs = γs/γ = 2.65. De este modo la propiedad más importante pasa a ser el tamaño. En la figura, el eje b es la dimensión que se considera como tamaño de la partícula.. FIGURA 1. 7: Ejes Imaginarios de una partícula. Para la representación de la distribución de material en el lecho según el tamaño se utiliza la curva granulométrica acumulada continua, otra forma de representación es la distribución discreta o continua para las cuales se necesita tamizar una muestra y pesar la fracción que pasa por cada tamiz.. FIGURA 1. 8: Curva Granulométrica Continua.

(44) 13. FIGURA 1. 9 : Distribución Discreta o Continua de los tamaños. A continuación se clasifica las partículas según su tamaño: 6 TAMAÑO DE PÁRTICULA (mm) De: Hasta: Menores 0.004 0.004 0.060 0.060 2.000 2.000 64.000 (cm) 6.4 25.6 25.600 mayores. DENOMINACIÓN Arcilla Limos Arenas Gravas Guijarros o Cantos Bolos o Bloques. TABLA 1. 1: Clasificación de partículas por su tamaño. Para saber si un suelo es bien o mal graduado se debe determinar la desviación geométrica estándar de la distribución del tamaño de las partículas, σg (llamada también desviación típica granulométrica), el cual se calcula de la siguiente manera: ♦ Si se dispone de d84 y d16, según el parámetro adimensional d84/d16:. ♦ Si se dispone de d84 y d50, según Vanoni (1977):. 6. MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág. 56-57..

(45) 14. En donde: (d84), el 84% de material que pasa es fino, (d16), el 16% de material que pasa es fino. Un material es bien graduado si σg > 3, mal graduado si σg < 3. En el primer caso ocurre el fenómeno de acorazamiento.. 1.1.2.3.1. Acorazamiento Es un estado del lecho debido al transporte de sedimentos. Si se tiene un lecho conformado por una mezcla de material de distintos tamaños, la corriente arrastra los finos fácilmente, debido a ello se puede explicar la presencia de predominante de material grueso en la superficie.. FOTO 1. 9: Río acorazado “El acorazamiento influye en la rugosidad del cauce pues la superficie de fondo presenta partículas de grano mayor que en el medio. Influye además en el principio de movimiento del lecho ya que para mover el material fino se debe destruir la superficie conformada por material grueso. Una crecida fuerte mueve el material grueso, a lo contrario de una crecida normal. “7. 7. MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág. 59..

(46) 15. 1.1.2.4. Transporte De Sedimentos El transporte de sedimentos se puede clasificar según el origen del material y según la forma de transporte, así: Modo de Transporte. Origen del Material. CARGA DE LAVADO. CUENCA. EN SUSPENSIÓN LECHO DE FONDO. TABLA 1. 2: Modo de transporte vs origen del material.. 1.1.2.4.1. Modo De Transporte ♦ Transporte de Sedimentos por el Fondo: El material de fondo vendría a ser un 10% del transporte total. El transporte del material del cauce depende de las características hidráulicas (caudal, pendiente, granulometría, entre otros), teniendo así un gran efecto morfológico en el río causando erosión y sedimentación. ♦ Transporte de Sedimentos en Suspensión: Debido a la acción de las componentes verticales de régimen turbulento las partículas de un lecho son empujadas para ser transportadas en suspensión en la corriente. En un río grande, el material transportado por suspensión puede ser un 90% del total de sólidos. Este tipo de materiales tienen gran efecto en la salida o desembocadura de un sistema fluvial. ♦ Carga de Lavado: Asocia las partículas que se encuentran suspendidas. y. no. se. sedimentan.. Ésta. depende. de. las. características de la cuenca, más no de las condiciones de la corriente.8 El material de diámetro menor a d = 0.0625 mm, procede mayoritariamente del lavado de la cuenca.. 8. MONTOYA JARAMILLO, LUIS JAVIER, (2005), “Transporte de sedimetnos en las corrientes del departamento de Antioquia”, Universidad de Medellín, Medellín- Volombia. Pág. 129.

(47) 16. 1.1.2.4.2. Origen del material ♦ Origen en el Lecho: En este origen se puede encontrar los dos modos de transporte, en suspensión y de fondo. ♦ Origen en la Cuenca: Se refiere a la existencia de erosión laminar debido a crecidas. Tiene que ver con el lavado de sólidos. La corriente además de transportar material de fondo y material en suspensión con origen en el lecho, lleva material en suspensión con origen en la cuenca. “Para diferenciar entre los dos últimos se toma como criterio que el material procedente de la cuenca es de un tamaño menor a 0.0625 mm y al contrario de éste, el material procedente del lecho es mayor a 0.0625 mm.”9 El parámetro más relevante en el análisis del transporte de sedimentos es el caudal sólido, ya que con ello se puede obtener volúmenes de erosión, para los casos de transporte de fondo. De igual forma en el caso del transporte en suspensión, se puede conocer el porcentaje sedimentado, pero la dificultad de éste caso es que se necesita conocer la granulometría.. 1.1.2.4.3. Caudal Sólido(qs) “Por analogía con el flujo de agua, el primer paso en el análisis del transporte del sedimento es definir el caudal sólido, (Qs), como el volumen por unidad de tiempo que cruza una sección transversal y definir el correspondiente caudal sólido unitario, qs, por unidad de anchura.” 10 El cálculo del caudal unitario del sedimento se presenta en la SECCIÓN 3.3.2.. 9. MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág 61. 10 MARTÍN VIDE, JUAN P. (2003), “Ingeniería de ríos”, Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., Pág 63..

(48) 17. 1.1.3. HIDROLOGÍA FLUVIAL El ciclo hidrológico es el comienzo de la hidrología como ciencia. El ciclo hidrológico se modificó varias veces hasta tener al que se lo conoce hoy en día. En la época D.C. (Renacimiento) se utilizó una ciencia basada en observación, donde Leonardo Da Vinci cambió los pensamientos del comportamiento del agua. Después de él se dio a conocer que los ríos y los manantiales se forman de las lluvias contradiciendo a lo que se pensaba de que el mar alimentaba a las fuentes. En los siglos XVIII hasta antes del siglo XX se fueron desarrollando principios como para la escorrentía, determinación de crecidas máximas o para el flujo en canales abiertos, entre otros. Ya en el siglo XX se desarrollaron modelos, teorías y métodos, llevando a la hidrología a un nivel superior. Luego por el año 1965 se reconoció a la hidrología como ciencia. Hoy en día existen programas computacionales que facilitan la aplicación de las teorías.. 1.1.3.1. Definición “Estudia las aguas, sus propiedades tanto físicas como químicas, su uso y distribución para los seres humanos.” 11 Está relacionada con otras ciencias tales como la meteorología (origen del agua) y la hidráulica (agua en movimiento), entre otras.. 1.1.3.2. Precipitación “Agua procedente de la atmósfera en forma líquida sólida o cristalizada que alcanzan la superficie de la tierra. Entre las distintas formas de agua antes mencionadas se tiene: lluvia, rocío, nieve, granizo y neblina.”12. 11. MONSALVE SÁENZ, GERMÁN., “Hidrología en la Ingeniería”, Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Pág. 22. 12 Microsoft Corporation (2007), “Microsoft Student con Encarta Premium”, Sección “Geografía: “Percipitación”..

(49) 18. 1.1.3.3. Escorrentía “Parte de la precipitación ya sea lluvia, granizo o nieve que fluye por la como escorrentía superficial (superficie de un terreno) o escorrentía subterránea (por debajo de un terreno). “13. 1.1.3.4. Infiltración “Paso del agua desde la superficie hacia el suelo, con una componente vertical de las fuerzas que actúan en las partículas en sentido de la gravedad.”14. 1.1.3.5. Cuenca Hidrográfica ♦ “Área definida donde las aguas afluyen todas a un mismo curso de agua que descarga su caudal en una salida única.”15 ♦ “Es el área de aguas superficiales o subterráneas que vierten a una red hidrográfica natural con uno o varios cauces naturales, de caudal continuo o intermitente, que confluyen en un curso mayor que, a su vez, puede desembocar en un río principal, en un depósito natural de aguas, en un pantano o bien directamente en el mar. También se define como una unidad fisiográfica conformada por la reunión de un sistema de cursos de ríos de agua definidos por el relieve.” 16. 13 y 14. MONSALVE SÁENZ, GERMÁN., “Hidrología en la Ingeniería”, Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Pág. 22. 15. Microsoft Corporation (2007), “Microsoft Student con Encarta Premium”, Sección “Geografía: “Cuenca”. 16. FRANQUET BERNIS, J.M. (2005), “Agua que no has de beber... 60 respuestas al Plan Hidrológico Nacional”, Pág. 25-26..

(50) 19. 1.2 MORFOLOGÍA Y TIPOS DE CAUCES NATURALES RESPECTO DE SU DESARROLLO NATURAL Al río se le atribuye grados de libertad los cuales el mismo cauce hace valer cuando existen variables hidrológicas, hidráulicas, transporte del material y la forma de la sección del cauce (no prismática). La formación en planta, de un curso natural, no es fija sino que puede cambiar a lo largo del tiempo, debido a sucesos extraordinarios o de forma gradual, de manera aguda o lenta, respectivamente. Por lo que, el río busca un acomodo o equilibrio, haciendo uso de un grado de libertad relativo a la planta, produciéndose con esto una u otra sinuosidad, en menor o mayor escala, dependiendo del régimen hidrológico de la cuenca. La formación transversal del curso natural tampoco es fija, por la variación de la velocidad (variable hidráulica), por el caudal sólido y tamaño del mismo, así como también por las variables hidrológicas, haciendo uso el río para su acomodo de un segundo grado de libertad, produciéndose en el fondo y orillas del cauce, un crecimiento debido a la sedimentación o una regresión debido a la erosión. Existe un tercer grado de libertad producido por la no existencia de una sección prismática ni una sección tipo, por lo cual el río equilibra con otras formas de superficies de agua, distintas a las formas suaves de las curvas de remanso obtenidas en canales, lo que involucra una incertidumbre en la posición de la superficie libre.. 1.2.1. 1.2.1.1. FORMACIÓN DEL CURSO NATURAL EN PLANTA. Rectos Los cauces regulares y rectos no son comunes en la naturaleza. Estos cauces generalmente transitan por encañonados, son profundos y angostos..

(51) 20. FIGURA 1. 10: Tramo Recto de un Cauce Natural. FOTO 1. 10: Río Bueno – Chile. 1.2.1.2. Trenzados Se los conoce también como cauces con múltiples brazos, con anastomosis (comunicación entre cauces). Estos transportan gran cantidad de sedimentos, fluyen a través de dos o más cauces alrededor de islotes aluviales que se forman por la unión y separación de los cauces, por ello son inestables, son anchos y poco profundos. Estos ocurren en ríos de montaña con pendiente alta y sedimento grueso..

(52) 21. FIGURA 1. 11: Cauce Trenzado o Divagantes. FOTO 1. 11 : Río Guayuriba – El Cairo. 1.2.1.3. Sinuosos Se los conoce también como cauce con meandros o curvas pronunciadas, tienen secciones transversales asimétricas (calado en la parte convexa es menor y la parte cóncava es mayor)..

(53) 22. FIGURA 1. 12: Cauce Sinuoso. FOTO 1. 12 : Río Amazonas – América del Sur Thalweg: Puntos de mayor profundidad como se indica en la figura:. FIGURA 1. 13: Thalweg.

(54) 23. Los meandros pueden ser simples o compuestos, regulares o irregulares.. FIGURA 1. 14: Tipos de Meandros. 1.2.2. FORMACIÓN DEL CURSO NATURAL EN SECCIÓN TRANSVERSAL O CORTE. 1.2.2.1. Rocosos Los cauces rocosos son estables por lo que son difíciles de ser erosionados. Estos tipos de cauces pueden ser: encañonados o pedregosos. ♦ Encañonados: su fondo y taludes son resistentes a la erosión, tienen una sección transversal en forma de “V”.. FOTO 1. 13 : Río Colorado – Estados Unidos.