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PROCESOS EROSIVOS
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- Socavación general
- Socavación transversal
- Socavación curvas
- Socavación local
- pilas
- estribos
- Erosión aguas abajo presas
- Erosión al pie obras descarga
- Socavación bajo tuberías.
SOCAVACIÓN
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Socavación general: descenso del fondo durante unaavenida como consecuencia de la mayor capacidadde la corriente para el transporte de sedimentos
Socavación transversal: cuando la sección transversalde un cauce se reduce por la construcción dealguna obra, vgr. estribos de puentes y espigones: sereduce el ancho y se compensa con aumento de hhasta alcanzar continuidad líquido y sedimentos.
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Socavación en curvas: en exterior curvas por flujo helicoidal.
Erosión local: al pie de cualquier estructura interpuesta en la corriente:
pilas, estribos, espigones, tuberías.
Erosión aguas abajo de presas: retención de aporte de sedimentos.
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Sólo para cauces definidos (c/ estabilidad dinámica)
Método de Lischtvan - Lebediev
Condición de equilibrio:
Socavación general I
homogéneoMaterial
heterogéneo
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Socavación general II
Para cálculo de Ur, se supone que q = constante
mientras dura la erosión
Manning:
Vel. inicio Vel. real
arrastre
e rU U
53
1/2 5/3 5 3
0
12
1(1)
1
r o
cte
d
m e
Q U A S h B h Bn
QS
n h B
h0 = tirante inicial entre el nivel
del agua al pasar la avenida y el
nivel del fondo en estiaje
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Socavación general III
Gasto de diseño:
Con corrección si hay un puente o algún otro obstáculo:
1/ 2 5/ 31Ancho de superficie libre (efectivo)
tirantemedioantesde socavación
d mQ S h Ben
5/ 3
d mQ h Be
m
e
Ah
B
Coeficiente de contracción
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Socavación general IIIa
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Socavación general IIIb
Coeficiente de contracción µ
Velocidad media Distancia entre pilas, m
o más
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Socavación general IVAhora, en condiciones de erosión,
Válida cuando:
- B = constante al paso avenida
- Fondo desciende uniformemente en el ancho (sólo donde cauce principal está cubierto por agua en estiaje; si no, se forman islas, etc. con mayor rugosidad; río tiende a escurrir por zona de estiaje más socavación ahí).
De (1):
s
r s
r s
A h B
Q U h B
U h B
5/3
0h B
5/3
0r
s
hU
h
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Socavación general V
1. Perfil antes de la erosión
2. Perfil de equilibrio al final de la erosión
h0hs
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Socavación general VIGranulares:
Cohesivos:
0.280.68 x
e m sU D h
1.180.60 x
e sU h
= coeficiente/período retorno= peso volumétrico T/m3
Dm en mm
T, años β
1 0.77
2 0.82
5 0.86
10 0.90
20 0.94
50 0.97
100 1.00
500 1.05
1000 1.07
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Cálculo de hs en suelos homogéneos
Ur = Ue
1/(1 )5 / 3
0
0.28
1/(1 )5 / 3
0
1.18
0.68
0.68
x
s
m
x
s
hh granulares
D
hh cohesivos
Socavación general VII
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Tabla I.11 Valores de x y 1/(1+x), para suelos cohesivos y no cohesivos
x1
1
x1
1
x1
1
x1
1
Material cohesivo Material granular
γV,
Tf /m3
x γV ,
Tf /m3
x Dm, en
mm
x Dm, en
mm
x
0.80 0.52 0.66 1.20 0.39 0.72 0.05 0.43 0.70 40.00 0.30 0.77
0.83 0.51 0.66 1.24 0.38 0.72 0.15 0.42 0.70 60.00 0.29 0.78
0.86 0.50 0.67 1.28 0.37 0.73 0.50 0.41 0.71 90.00 0.28 0.78
0.88 0.49 0.67 1.34 0.36 0.74 1.00 0.40 0.71 140.00 0.27 0.79
0.90 0.48 0.67 1.40 0.35 0.74 1.50 0.39 0.72 190.00 0.26 0.79
0.93 0.47 0.68 1.46 0.34 0.75 2.50 0.38 0.72 250.00 0.25 0.80
0.96 0.46 0.68 1.52 0.33 0.75 4.00 0.37 0.73 310.00 0.24 0.81
0.98 0.45 0.69 1.58 0.32 0.76 6.00 0.36 0.74 370.00 0.23 0.81
1.00 0.44 0.69 1.64 0.31 0.76 8.00 0.35 0.74 450.00 0.22 0.83
1.04 0.43 0.70 1.71 0.30 0.77 10.00 0.34 0.75 570.00 0.21 0.83
1.08 0.42 0.70 1.80 0.29 0.78 15.00 0.33 0.75 750.00 0.20 0.83
1.12 0.41 0.71 1.89 0.28 0.78 20.00 0.32 0.76 1000.00 0.19 0.84
1.16 0.40 0.71 2.00 0.27 0.79 25.00 0.31 0.76
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Socavación general IX
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Socavación general XEjemplo
Qdiseño = 3500 m3/s; T= 100 años
Dm = 0.5 mm (arena)
S = 0.001 ΔB = 200 m
Para 1000 m3/s:
P1= 0.7 m;
P2 = 1.3 m
P3 = 1.8 m
P4 = 1.7 m
P5 = 1.3 m
P6 = 0.4 m
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Socavación general XI
En suelos heterogéneos:
Prueba y error o semigráfico
Velocidad
Profundidad
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Ejemplo p.2.11.40, A.III Manual
Ejemplo (socavación general en un cauce heterogéneo)
Sección transversal: siguiente hoja
Qdiseño = 3500 m3/s; T= 100 años
Separación entre pilas: 40 m
Dm = 0.5 mm (arena)
Dm = 3.0 mm (grava)
γV = 2100 kgf/m3 (material cohesivo)
S = 0.001
Determinar la sección transversal durante el paso de la
avenida.
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Secciones con rugosidades diferentes.
El cálculo se hace zona por zona, con:
donde:
Ci=coeficiente de Chezy =
5/ 3
dii
mi ei i
Q
D B
1
d ei i i
di n
ei i i
i
Q A C hQ
A C h
1/ 6
n
i
d
n
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Comentarios:1. Datos necesarios: Qd, sección transversal, sondeos para γs, γv, Dm.
2. q = corriente durante la socavación; no hay flujos transversales.
3. Las regiones más débiles se erosionan más rápido en un
evento, la erosión en las regiones más resistentes puede ser
mayor que la calculada.
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Erosión Transversal
Erosión transversal o debida a contracciones
Se puede calcular como socavación general tomando en cuenta
el ancho efectivo
Otro método: Straub para material homogéneo
.0 642
12 1
2
Bh h
B
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Erosión en curvas
Altunin:
máx rh h
r = Radio de curvatura al centro del ancho
hr = Tirante máximo en el tramo recto aguas arriba, m
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Erosión local
Al pie de obstáculos rodeados por la corriente, p. e. pilas de
puente
Producida por obstáculos unidos a las márgenes, p. e. espigones
o estribos de puentes
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Erosión al pie de pilas de puente I
Maza-Sánchez,
pilas rectangulares:
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Erosión al pie de pilas de puente II
Maza-Sánchez,
pilas rectangulares con
nariz redondeada:
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Erosión al pie de pilas de puente
IIIMaza-Sánchez,
pilas circulares:
b1=D
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Erosión al pie de estribos o espigones
Talu
d
0
Artamonov:
T q kS P P P h
Q
Q
h
1
0
Gasto antes del obstáculo
Gasto con el ancho efectivo en la zona contraída
Tirante antes de la socavación
Ángulo que forma el espigón con la corriente
Espig
.Te TS S
ones enfrentados:
0 75
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Socavación bajo tuberías
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Socavación al pie de compuertas
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90
18log 12.27/
0.06 1
11.6
C
C
C
C
H
c H C
s C
C
H
H C
R QU R S
k x A
DS
R Y
v
gR S
90
s
velocidad crítica, en m/s
radio hidráulico crítico, en m
diámetro representativo del material del fondo, el cual se puede considerar como D
coeficiente que es función de la relación k /
C
C
H
s
U
R
k
x
2
, se calcula con ayuda de la fig. II.10
área critica, en
pendiente del cauce cuando cesa el arrastre, adimensional
coeficiente que depende de la relación / y cuyo valor se calcula con
c
c
s
A m
S
Y k
la figura II.10
espesor de la capa límite
Erosión aguas abajo de grandes embalses
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1. Calcular y por tanteos dando a x y Y un valor inicial igual a uno .
2. Se supone que el fondo ha descendido hasta un nivel Zi al pie de la cortina; ahí se
debe tener una pendiente SC.
3. Se traza el círculo de mayor radio que pase por (0,-Zi ) cuya pendiente en ese
punto sea Sc y que además sea tangente a la pendiente inicial, S0 .
De esta manera es posible conocer la distancia Li, así como el volumen Vi
que ha sido necesario remover desde la pendiente inicial hasta el nuevo perfil
obtenido.
4. Se repite lo anterior para varios valores de Zi y se construyen gráficas de Zi
contra Li y de Zi contra Vi .
,c hcS R cA
Procedimiento de cálculo
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Como se conoce qBT en una sección inalterada, al conocer los volúmenes
erosionados se puede calcular el tiempo que se requiere para descender hasta
cada nivel Zi => gráfica Zi contra tiempos; en la sección al pie de la cortina
se ve que al principio los descensos son muy notables y disminuyen en
magnitud a medida que transcurre el tiempo. Si las gráficas se construyen para
otras secciones aguas abajo, se obtienen curvas más uniformes cuanto más
alejada esté la sección considerada.
Para una profundidad de erosión Zi dada, las coordenadas y el radio de la
circunferencia están dados por:
2ZiAbscisa α
m
ZiOrdenada β21 m 1
Radio r β
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La longitud Li a lo largo del río afectada por la erosión
iL
El área erosionada,
2 22
360 2 2
i i i Ci
Z Z Z SrA r
m m
donde
Deflexión ,en grados
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En las ecs II.64 a II.68 se tiene
0 Cm S S
El volumen erosionado será igual al área Ai multiplicada por el ancho medio del
fondo del cauce.
Si el material no es uniforme, hay que tener presente que se produce una selección
de tales materiales, de tal suerte que en las primeras secciones que dan los granos
más gruesos. Esto hace que la pendiente crítica en dichas secciones varíe y se
haga más pronunciada.
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Ejemplo
D90 = 1.4 mm
D50 = 1.0 mm
Q= 400 m3 /s
S0 = 0.0007
B=200 m
Solución
De tanteos:
RHc = 2.59 m; Sc = 3.8 × 10-5 ; Uc = 0.77 m/s; Ac = 518.4 m2
m = 0.0007-0.000038 = 0.000662
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Engelund III
. sBT
s
ug
g D
3 12 2 2
0
1 22
50
0 05
Válida cuando * 50
* 12v D
R
y cuando. gD 500 15 2 mm, 2
En el rango *0.047 0.1 da más transporte del que debe
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gBT ≈ 0.009 kgf /m s
m = 0.000662 Z alfa beta r L fi A V t
gBT= 0.009 kgf/s -0.2 604.229607 -912733.646 912733.646 604.229607 0.0379298