UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL
MODELAMIENTO HIDROLGICO E HIDRULICO APLICADO AL CLCULO DE SOCAVACIN EN PUENTES POTRERO (Km 165 + 527.00)
Y MAYGASBAMBA (Km 197 + 688.15), UBICADOS EN CARRETERA
CHOTA BAMBAMARCA HUALGAYOC
TESIS
PARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE INGENIERO
CIVIL
rea de Investigacin: Hidrulica
AUTORES : Br. YEILY CARINS BARDALES GUANILO
Br. LIZ MARITZA CONCEPCIN BUSTOS
ASESOR : Ing. JOS LUIS SERRANO HERNNDEZ
N de Registro:_______________
TRUJILLO, JUNIO DEL 2014
JURADO DICTAMINADOR
Presidente:
Ing. GERMN SAGSTEGUI PLASENCIA ______________________
Secretario:
Ing. FLIX PRRIGO SARMIENTO ______________________
Vocal:
Ing. RICARDO NARVEZ ARANDA ______________________
Asesor:
Ing. Ms. JOS LUIS SERRANO HERNNDEZ
i
DEDICATORIA
Al creador de todas las cosas, el que me ha dado fortaleza para continuar cuando estuve a punto de caer; por ello, con toda la humildad que de mi corazn puede emanar, dedico en primer lugar mi trabajo a Dios.
De igual forma, dedico esta tesis a mis madres Salom y Lucila quienes han sabido formarme con buenos sentimientos, hbitos y valores, lo cual me ha ayudado a salir adelante en los momentos ms difciles.
A mi abuelita Consuelo que es el pilar fundamental de mi familia, a mis hermanitos que da a da me motivan y a mi familia en general porque me han brindado su apoyo incondicional y por compartir conmigo buenos y malos momentos.
Yeily Carins Bardales Guanilo
ii
DEDICATORIA
Dedico este proyecto a Dios por ser el inspirador para cada uno de mis pasos dados en mi convivir diario; a mis padres por ser los gua en el sendero de cada acto que realizo hoy, maana y siempre; a mi familia, por ser el incentivo para seguir adelante con este objetivo, a mis maestros que me entregaron en estos 5 aos sus conocimientos para realizar los propsitos que tengo en mente.
Liz Maritza Concepcin Bustos
iii
AGRADECIMIENTO
Los resultados de este proyecto, estn dedicados a todas aquellas personas que, de
alguna forma, son parte de su culminacin.
Principalmente a Dios por da a da darme fortaleza y por fructificar mis dones, a
mis madres, y a mi familia entera por su apoyo en el largo proceso de desarrollo
de la tesis.
A mi asesor Ms. Jos Luis Serrano Hernndez por tomarse el tiempo necesario en
las correcciones parla viabilidad y xito de la tesis.
A los ingenieros Nelson Arapa y Darwin Villegas por impartirme conocimientos y
experiencias las cuales aprovech al mximo para la culminacin de mi proyecto
iv
AGRADECIMIENTO
Agradezco profundamente a Dios, por guiarme en el sendero correcto de la vida,
cada da en el transcurso de m camino e iluminndome en todo lo que realizo de
m convivir diario.
A mis padres, por ser mi ejemplo para seguir adelante en el convivir diario y por
inculcarme valores que de una u otra forma me han servido en la vida, gracias por
eso y por muchos ms.
A mi Asesor de tesis el ingeniero Serrano Hernndez, Jos Luis por tenerme
paciencia y por guiarme en cada paso de este proyecto.
A mis maestros de la Universidad Privada Antenor Orrego que me impartieron sus
conocimientos y experiencias en el transcurso de mi vida estudiantil y que me
ayudaron de una u otra forma para hacer posible la realizacin de la tesis.
A la Escuela de Ingeniera Civil que me apoy para realizar las prcticas e
investigaciones cada da, en el tiempo que dur este plan y permiti realizar este
proyecto en dicha institucin.
A mis amigos y amigas y a todas las personas que me incentivaron y me
motivaron para seguir adelante con los objetivos de este propsito.
v
NDICE
DEDICATORIA ...................................................................................................... i
AGRADECIMIENTO ........................................................................................... iii
NDICE .......................................................................................................... v
NDICE DE TABLAS ........................................................................................... vi
NDICE DE FIGURAS .......................................................................................... ix
RESUMEN ....................................................................................................... xii
ABSTRACT ...................................................................................................... xiii
CAPTULO I: INTRODUCCIN ........................................................................... 1
1. Realidad problemtica ........................................................................................ 1 2. Enunciado del problema ..................................................................................... 3 3. Antecedentes ...................................................................................................... 3 4. Hiptesis y variables .......................................................................................... 7
4.1 General ......................................................................................................... 7 4.1.1 Operacionalizacin de las variables ................................................. 7
5. Objetivos .......................................................................................................... 7 5.1 Objetivo general ........................................................................................... 7 5.2 Objetivos especficos ................................................................................... 7
6. Justificacin........................................................................................................ 9 7. Marco terico ................................................................................................... 10 CAPTULO II: MATERIAL Y MTODOS ......................................................... 92
CAPTULO III: RESULTADOS ........................................................................... 99
CAPTULO IV: DISCUSIN DE RESULTADOS ............................................ 173
CAPTULO V: CONCLUSIONES...................................................................... 183
CAPTULO VI: RECOMENDACIONES ........................................................... 185
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................. 186
ANEXOS ...................................................................................................... 187
FOTOGRAFAS
PLANOS
vi
NDICE DE TABLAS
Pg.
I-1. Operacionalizacin de las variables 7
I-2. Tabla de Cowan para determinar la influencia de diversos factores
sobre el coeficiente n
20
I-3: Factor de correccin por contraccin del cauce 32
I-4. Valores del coeficiente k1 35
I-5: Factor de correccin Kf por forma del pilar. Mtodos de Larras y
Melville y Sutherland.
45
I-6. Factor de correccin k por ngulo de ataque del flujo. Mtodo de
Larras.
46
I-7. Factor de correccin fc 48
I-8. Valor de Dmximo. 58
I-9. Factor de correccin Kf. 60
I-10. Factor de correccin por la forma del pilar Kf. Mtodo de CSU 62
I-11. Factor de correccin por el ngulo de ataque del flujo K Mtodo
de CSU
62
I-12. Criterios para adoptar Ka 63
I-13. Coeficiente de correccin K. 71
I-14. Coeficiente de correccin KQ 71
I-15. Coeficiente de correccin K 71
I-16. Coeficiente por forma del estribo Kf. Mtodo de Froehlich. 74
I-17. Valores del factor de correccin Kf. 79
I-18: Frmulas para el clculo de la socavacin general, por contraccin
y local en estribos y pilares
82
I-19. Seleccin del factor de seguridad 84
II-1. Caudales de diseo segn dimensiones de cuencia y tipo de
estructur
96
III-1. Estaciones Pluviomtricas de Precipitaciones Mximas en 24 horas
(mm). Tomado del Estudio Bas
99
III-2. Estaciones Hidromtricas Hidrogrficas tomado del Estudio Base. 99
III-3. Informacin Cartogrfica 100
vii
III-4. Estaciones Pluviomtricas de Precipitaciones Mximas en 24 horas (mm 100
III-5. Precipitaciones Mximas de 24 h de duracin en mm. 100
III-6. Relacin de cuencas 101
III-7. Resultados de la prueba de bondad de ajuste 101
III-8. Valores de PM24 probables expresados en mm para las estaciones
en estudio
101
III-9. Valores de Intensidad de lluvia (mm/h) para diferentes duraciones
de lluvia. Estacin Bambamar
101
III-10. Valores de Intensidad de lluvia (mm/h) para diferentes
duraciones de lluvia. Estacin Chota
102
III-11. Relacin de cuencas y tiempos de concentraci 102
III-12. Caudales de diseo para cuencas medianas por el Mtodo del
SCS HMS.
102
III-13. Caudales Mximos Promedios Diarios (m3/s). Puente
Maygasbamba
103
III-14. Caudales Instantneos (m3/s). 103
III-15. Caudal de diseo. 104
III-16. Tr= 500 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 500 aos 65.04 105
III-17. Tr= 100 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 100 aos 55.19. 105
III-18. Tr= 50 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 50 aos 50.93. 106
III-19. Tr= 20 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 20 aos 45.24. 106
III-20. Tr= 10 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 10 aos 40.84 107
III-21. Tr= 2 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 2 aos 29.34 107
III-22. Tr= 500 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 500 aos 139.77 108
III-23. Tr= 100 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 100 aos 100.83. 109
III-24. Tr= 50 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 50 aos 86.90. 109
III-25. Tr= 20 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 20 aos 70.71 110
III-26. Tr= 10 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 10 aos 59.87 110
III-27. Tr= 2 aos. Precipitacin Pmax24 horas, T = 2 aos 37.52 111
III-28. Clculo del coeficiente de rugosidad de Manning - mtodo de
Cowan.
120
III-29. Coeficientes de rugosidad de Manning para las estructuras 122
viii
planteadas
III-30. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Perfiles de flujo
gradualmente variado. Puente Potrero. T 100 aos
124
III- 31. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS perfiles de flujo
gradualmente variado. Puente Potrero T=500 Aos
126
III-32. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Perfiles de flujo
gradualmente variado Puente Maygasbamba T=100 Aos.
149
III-33. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Perfiles de flujo
gradualmente variado. Puente Maygasbamba T=500 Aos
152
IV-1. Resultados de la prueba de bondad de ajuste 173
IV-2. Valores de PM24 probables expresados en mm para las estaciones
en estudio.
174
IV-3. Valores de Intensidad de lluvia (mm/h) para diferentes duraciones
de lluvia. Estacin Bambamarca
175
IV-4. Valores de Intensidad de lluvia (mm/h) para diferentes duraciones
de lluvia. Estacin Chota
176
IV-5. Determinacin de caudales de diseo para cuencas medinas 2.5
km2. Software HEC-HMS.
177
IV-6. Hidrulica de canales abiertos. 179
IV-7. Modelamiento para hallar la socavacin local 179
IV-8. Gradacin recomendada Puente Potrero 180
IV-9. Gradacin recomendada. Puente Masgaybamba 182
ix
NDICE DE FIGURAS
Pg.
Figura 1. Nmero de fallas de acuerdo a su origen 3
Figura 2. Falla tpica de un pilar por erosin local (Martn Vide) 5
Figura 3. Seccin transversal del cauce. 31
Figura 4. Velocidad de cada (w) para partculas de a 36
Figura 5. Comparacin de ecuaciones para el clculo de la socavacin
local con socavaciones medidas en campo segn Jones.
39
Figura 6. Coeficiente Kf. Mtodo de Laursen y 41
Figura 7. Coeficiente Kg. Mtodo de Laursen y Toch. 41
Figura 8. Coeficiente K. Mtodos de Laursen y Toch, Breusers,
Nicollet y Shen, y Melville y Sutherland
43
Figura 9. Formas usuales de pilares. Mtodo de Larras 46
Figura 10. Clculo de la socavacin local en un pilar rectangular 50
Figura 11. Clculo de la socavacin local para un pilar circular 51
Figura 12. Clculo de la socavacin local para un pilar de seccin
elongada
52
Figura 13. Diagrama de flujo para determinar la profundidad de
socavacin
56
Figura 14. Diagrama de flujo para determinar la velocidad lmite de
acorazamiento
57
Figura 15. Formas tpicas de pilares de puentes 61
Figura 16. Algunos casos de obstruccin de estribos 66
Figura 17. Estribos que se prolongan hasta el cauce principal y no existe
flujo en la zona de inundacin
68
Figura 18. Interseccin del flujo por los estribos. Mtodo de Artamonov 70
Figura 19. Formas comunes de estribos. Mtodo de Froehlich 75
Figura 20. Factor de correccin K . Mtodo de Froehlich 75
Figura 21. Factor de correccin por ngulo de ataque del flujo K 79
Figura 22. Grficos de Lewis. 86
x
Figura 23. Relacin entre los caudales instantneos y los mximos
promedios.
104
Figura 24. Curva IDF. Estacin Bambamarca 108
Figura 25. Curva IDF. Estacin Chota 111
Figura 26. Hidrograma de Salida para Tr=100 aos 112
Figura 27. Caudal Mximo para Tr=100 aos 113
Figura 28. Hidrograma de salida para Tr = 500 aos 114
Figura 29. Caudal Mximo para Tr=500 aos 115
Figura 30. Hidrograma de Salida para Tr=100 aos 116
Figura 31. Caudal mximo para Tr = 100 aos 117
Figura 32. Hidrograma de Salida para Tr=500 aos 118
Figura 33. Caudal Mximo para Tr=500 aos 119
Figura 34. Resultados obtenidos con el software Hec-Ras. Puente
Potrero
123
Figura 35. Perfil de flujo gradualmente variado. Puente Potrero T=100
Aos.
125
Figura 36. Grfico pseudo 3d del ro Potrero. T=100 Aos 126
Figura 37. Perfil de flujo gradualmente variado. Puente Potrero. T = 500
aos
128
Figura 38. Grfico pseudo 3d del ro Potrero. T=500 Aos 129
Figura 39. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Grfico del
clculo de la socavacin local. Puente Potrero T=100 Aos
143
Figura 40. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS Grfico del
clculo de la socavacin local Puente Potrero T=500 Ao
145
Figura 41. Resultados obtenidos en el software HEC-RAS. Puente
Maygasbamba
148
Figura 42. Perfil de flujo gradualmente variado Puente Maygasbamba
T=100 Aos
150
Figura 43. Grfico pseudo 3D del ro Masgaybamba. T = 100 aos 151
Figura 44. Perfil de flujo gradualmente variado. Puente Maygasbamba
T=500 aos
153
Figura 45. Grfico pseudo 3D del ro Masgaybamba. T = 500 aos 154
xi
Figura 46. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Grfico del
clculo de la socavacin local. Puente Maygasbamba T=100 Aos
168
Figura 47. Anlisis hidrulico con el software HEC-RAS. Grfico del
clculo de la socavacin local. Puente Maygasbamba. T=500 Aos
170
xii
RESUMEN
Este trabajo de investigacin se realiz con la finalidad de determinar los criterios
tcnicos para realizar el Modelamiento hidrolgico e hidrulico para calcular la
profundidad socavacin en los puentes Potrero (km 165 + 527.00) y
Maygasbamba (km 197 + 688.15), ubicados en la carretera Chota Bambamarca
Hualgayoc del departamento de Cajamarca, teniendo como objetivos realizar
estudios de ingeniera bsica (hidrologa e hidrulica) para los puentes Potrero y
Maygasbamba.
Se usa el mtodo inductivo, con toma, registro y procesamiento de datos para
realizar el modelado hidrolgico e hidrulico, usando como instrumentos
programas de informtica
Los resultados para las precipitaciones mximas en 24 horas para perodos de 2,
10, 20, 50, 100 y 500 aos son de 55.19 para la Estacin Bambamarca y 100.83
para la Estacin Chota en un perodo T-100 aos; y 65.04 y 139.77
respectivamente para un perodo T-500 aos; el modelo obtenido con el software
HEC-HMS nos da como caudales mximos de diseo: 117.60 para T-100 aos y
183.61 m3/s para T-500 aos en el Puente Maygasbamba y 68.50 m
3/s para T-100
aos y 138.94 m3/s para T-500 aos en el Puente Potrero; los coeficientes de
rugosidad son 0.045 para el canal principal del ro Maygasbamba y 0.040 para el
canal principal del ro Potrero; y las profundidades de socavacin son de 1.85 (Ys
Left) y de 0 (Ys Right) para T-100 aos y 4.07 (Ys Left) y de 1.39 (Ys Right) para
para T-500 aos del Puente Maygasbamba y de 1.90 (Ys Left) y de 5.40 (Ys
Right) para T-100 aos y 3.74 (Ys Left) y de 7.89 (Ys Right) para para T-500
aos del Puente Potrero.
Entre las principales conclusiones tenemos que las precipitaciones pluviales se
registran durante todo el ao; sin embargo, los meses de Junio a Agosto, se
muestran los ms favorables para trabajos de explotacin de canteras,
construccin del pavimento y que en cuanto a intensidades de precipitacin es
notoria una mayor magnitud de precipitaciones mximas de 24h de duracin en la
estacin Chota.
xiii
ABSTRACT
This research work was carried out in order to determine the technical criteria for
the hydrologic and hydraulic modeling to calculate the depth of scour at bridges
Potrero (km 165 527.00) and Maygasbamba (197 km 688.15), located on the
Chota road - Bambamarca - Hualgayoc in the Department of Cajamarca, having as
objectives carry out studies of basic engineering (hydrology and hydraulics) to
Potrero and Maygasbamba bridges.
We use the inductive method, with taking, registration and processing of data for
hydrologic and hydraulic modeling software to be used as instruments
Results for the maximum rainfall in 24 hours for periods of 2, 10, 20, 50, 100 and
500 years are 55.19 to station Bambamarca and 100.83 to the Chota station in a
period T-100 years; and 65.04 and 139.77 respectively for a period T-500 years;
the model obtained with the HEC-HMS software gives maximum design flow:
117.60 for T-100 years and 183.61 m3/s for T-500 years in the bridge
Maygasbamba and 68.50 m3/s to T-100 years and 138.94 m3/s to T-500 years in
the Potrero bridge; roughness coefficients are 0.045 to the main river
Maygasbamba channel and 0.040 for the main channel of the river Potrero; and
scour depths are of 1.85 (Ys Left) and 0 (Ys Right) for T-100 years and 4.07 (Ys
Left) and of 1.39 (Ys Right) for T-500 years of the Maygasbamba bridge and 1.90
(Ys Left) and 5.40 (Ys Right) for T-100 years and 3.74 (Ys Left) and 7.89 (Ys
Right) for T-500 years of the Potrero bridge.
Among the main conclusions we have rain precipitations are recorded throughout
the year; However, the months of June to August, are the most favorable for
quarrying, construction of pavement works and that in terms of intensity of
precipitation is a greater magnitude of maximum precipitations for 24 hour
duration in Chota station.
1
CAPTULO I: INTRODUCCIN
1. REALIDAD PROBLEMTICA
Los puentes tienen un importancia social innegable, pues su esencia es la de
unir lo que est separado. Precisamente, uno de los timos de la palabra
Pontfice es la de constructor de puentes, de puentes entre los hombres y
Dios. La importancia y profundo significado de la palabra puente ha sido
recogida por el Colegio de Ingenieros del Per a travs de la publicacin de
una revista dedicada a Ingeniera, Sociedad y Cultura, la que tiene el
significativo nombre de PUENTE, pues con ella se busca establecer un
dilogo fluido entre la ingeniera y la sociedad.
Cuando el puente forma parte de una carretera o de un ferrocarril tiene que
disearse para que cumpla sus objetivos viales. Pero, cuando un puente cruza
un ro es inevitable considerarlo, adems, como una estructura hidrulica.
Entre el ro y el puente hay una profunda interaccin en la que cada uno trata
de influir sobre el otro.
Para efectos del mejor conocimiento de los problemas antes sealados se
entiende como Estudios Hidrulicos los relativos al conocimiento y manejo
del ro y su interaccin con el puente. Corresponden a la Hidrologa,
Hidrulica Fluvial, Transporte de Sedimentos y al Diseo en los aspectos
pertinentes. Precisamente, se llama Hidrulica de Puentes a los aspectos de la
Hidrulica General aplicados al Diseo de Puentes. A fin de garantizar la
estabilidad de los puentes el ingeniero tiene que participar en una labor
multidisciplinaria. Un puente que interacta con un ro es una estructura
hidrulica y debe ser concebido y diseado como tal, de modo que produzca la
menor perturbacin posible en el escurrimiento fluvial y, a un costo razonable,
cumpla adecuadamente con los fines buscados. Cuando el ro y el puente se
cruzan cada uno trata de influir sobre el otro. El puente, como toda estructura,
necesita estabilidad y permanencia en el tiempo, frente a la agresividad fluvial.
El ro, en cambio, por su propia naturaleza es esencialmente dinmico y
cambiante y, adems, sufre la accin de la agresividad humana.
2
Para asegurar la estabilidad de los puentes que interactan con ros el
ingeniero tiene una enorme tarea ante s. Tanto la ubicacin conveniente del
puente, como el clculo de las profundidades de socavacin producidas por
pilares y estribos en su interaccin con el ro, as como otros aspectos, son
parte del diseo de estos puentes. Se trata de una labor en la que la Hidrulica
Fluvial es fundamental. En realidad, es una tarea multidisciplinaria en la que
intervienen aspectos de Vialidad, Transporte de Sedimentos, Hidrologa,
Geologa, Geotecnia, Anlisis Estructural, Modelos Hidrulicos, Costos,
Procedimientos de Construccin y otras especialidades de la ingeniera.
En general, en un puente se distingue la superestructura, constituida por el
tablero, y la infraestructura formada por los pilares, los estribos y la
cimentacin. Los pilares, conocidos en casi todas partes con el nombre de
pilas, aunque no en el Per, son los apoyos intermedios cuando el puente tiene
ms de un tramo. Los estribos se ubican en los extremos y empalman con los
terraplenes de aproximacin al puente. Los cimientos transmiten al lecho
fluvial el peso de la estructura. Los pilares y estribos, al igual que los
espigones tratados en el captulo anterior, son elementos extraos dentro de la
corriente. El choque del flujo contra ellos produce corrientes vorticosas que
causan la erosin local, tal como se aprecia esquemticamente en las Figuras
N 10.1 y 10.2. Ms adelante se ver que las caractersticas de la perturbacin
local producida por un pilar dependen, entre numerosos factores, del
transporte de slidos de la corriente.
Por qu es tan importante el aspecto hidrulico en el diseo de puentes que
cruzan ros? La respuesta la encontramos en las numerosas fallas ocurridas. El
estudio de las fallas que ocurren en las estructuras es una fuente importante de
conocimiento. Para intentar responder a la pregunta de por qu fallan los
puentes es conveniente presentar informacin estadstica. Afortunadamente, se
dispone de diversas investigaciones sobre las causas de las fallas ms comunes
ocurridas en puentes de diversos tipos en varios pases. Las causas varan
mucho segn el tipo de puente y de ro y nos sirven como un marco
referencial para luego apreciar lo que ocurre en el Per. Las causas que se
menciona ms adelante pueden ocurrir aislada o simultneamente. Diversos
3
estudios sealan de un modo general que entre las causas ms comunes de
fallas de puentes estn principalmente las siguientes:
a) Choque de cuerpos extraos (palizadas, embarcaciones, bloques de hielo y
otros cuerpos extraos).
b) Comportamiento fluvial (Socavacin y diversas manifestaciones de la
dinmica fluvial).
c) Accin del viento.
d) Sismos.
2. ENUNCIADO DEL PROBLEMA
Cules son los criterios tcnicos para realizar el Modelamiento hidrolgico e
hidrulico para calcular la profundidad socavacin en los puentes Potrero (km
165 + 527.00) y Maygasbamba (km 197 + 688.15), ubicados en la carretera
Chota Bambamarca Hualgayoc del departamento de Cajamarca?
3. ANTECEDENTES
En un estudio muy detallado titulado Bridge failures que realiz D. W.
Smith sobre el nmero de fallas, de acuerdo a su origen, ocurridas en 143
puentes de todo el mundo obtuvo los siguientes resultados:
Figura 1. Nmero de fallas de acuerdo a su origen
Fuente: AASHTO
4
Se observa que segn la investigacin de Smith prcticamente el 50% de las
fallas (70) tuvo su origen en las grandes descargas presentadas. Cuando los
fenmenos externos actuantes son lo suficientemente grandes como para
afectar la estabilidad de un puente se les llama eventos extremos. A ellos se
refiere el National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) en su
Reporte 489 del ao 2003 en el que da importantes criterios para su
consideracin. Naturalmente, que la probabilidad de que ocurran dos o ms
eventos con su mxima intensidad y en forma simultnea es remota, aunque
no imposible. Su probabilidad de ocurrencia, aislada o conjunta, debe
examinarse cuidadosamente para no exagerar los costos de la estructura.
Segn estudios de la American Association of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO) publicados en 1994 La mayor parte de
los puentes que han fallado, en USA y en todo el mundo, ha sido debido a la
socavacin. Shirole y Holt en 1991 estudiaron 1000, de los 600 000 puentes
existentes en Estados Unidos, que haban fallado a lo largo de un periodo de
30 aos y encontraron que el 60% de las fallas se origin por problemas de
socavacin. Wardhana y Hadipriono estudiaron 500 fallas ocurridas entre
1989 y el 2000 en 500 puentes de los Estados Unidos y encontraron que el
53% se debi a las avenidas y a la socavacin.
En Colombia realizaron estudios sobre fallas de puentes para los periodos
1996-1997 y 2001-2002 y encontraron que alrededor del 73% de las fallas se
debi a erosin fluvial.
Desde Argentina, Lopardo y Seoane sealan que Debe tenerse presente la
habitual minimizacin de las tareas hidrulicas por parte de los responsables
de la ingeniera vial, al menos en nuestra regin. En general las autoridades
viales nacionales y provinciales siempre han menospreciado los aspectos
hidrulicos por lo que puede ser interesante hacer notar la importancia de los
problemas que causa el agua sobre las estructuras viales. En la Figura se
observa una falla tpica de un pilar.
5
Figura 2. Falla tpica de un pilar por erosin local (Martn Vide)
En lo que respecta al Per la situacin es an ms grave. Los dos ltimos
Meganios (1982-83 y 1997-98) causaron daos considerables a la
infraestructura vial, especialmente a los puentes. Se podra mencionar, por
ejemplo, que durante el Meganio 1982-83, caracterizado por fuertes crecidas
fluviales especialmente en la costa norte, resultaron afectados o destruidos 55
puentes. Con ocasin del Meganio 1997-98, de similares caractersticas al
antes mencionado, los daos en la infraestructura vial fueron tambin
considerables. En el Informe que prepar el Colegio de Ingenieros del Per
sobre el tema, que aparece como Anexo 7-A del Captulo 7, se seal que en
1998 hubo 58 puentes destruidos y 28 afectados. Prcticamente, la totalidad de
las fallas ocurridas en ambos Meganios tuvo su origen en problemas de
Hidrulica Fluvial.
Es, pues, indudable que la experiencia nacional y mundial indica que la accin
del agua es la causa principal de las fallas que ocurren en los puentes que
interactan con ros. Esto es evidente, puesto que las grandes avenidas
intensifican los conflictos entre las funciones naturales de un ro y las acciones
humanas. Cuando se trata de puentes importantes, o con problemas especiales,
en reas sujetas al Fenmeno de El Nio debe considerarse sus efectos
mediante un adecuado Hidrograma de Crecidas (Avenidas). En consecuencia,
6
los Estudios Hidrulicos resultan sumamente importantes para la prevencin
de fallas de puentes en el Per y en todo el mundo.
Los daos en las vas de transporte tienen un significado muy importante. En
general pueden implicar prdida de vidas humanas, daos a las propiedades y
la interrupcin del servicio, lo que significa imposibilidad o dificultad en la
comunicacin terrestre, aislamiento de los pueblos, perjuicio a las actividades
comerciales, escasez y encarecimiento de alimentos y de artculos de primera
necesidad. Los daos tambin pueden tener implicancias en aspectos de la
Defensa Nacional, adems, por cierto, de la necesidad de afrontar los costos de
reposicin, as como los costos sociales, polticos y estratgicos.
Como se ha expuesto, los daos que sufren los puentes tienen diversos
orgenes, pero fundamentalmente provienen del comportamiento hidrulico de
ros y quebradas, de la mala ubicacin de las obras y, en general, de su
inadecuada concepcin para las condiciones presentadas. Prcticamente, la
totalidad de las fallas ocurridas en las ltimas dcadas en los puentes del Per
se ha producido por problemas de Hidrulica Fluvial y no por los llamados
problemas estructurales. Es, pues, indispensable mirar el problema desde
esta perspectiva y hacer algunas reflexiones sobre el comportamiento de los
ros y su interaccin con los puentes.
Delimitacin
Por lo mencionado en el problema, el estudio de la tesis se centra en realizar el
modelamiento hidrolgico e hidrulico; determinando los criterios tcnicos de
para el clculo de socavacin en los puentes Potrero (km 165 + 527.00) y
Maygasbamba (km 197 + 688.15),
Aporte del Trabajo
Con este trabajo se calcula la profundidad de socavacin en los puentes
Potrero (km 165 + 527.00) y Maygasbamba (km 197 + 688.15), ubicados en la
carretera Chota Bambamarca Hualgayoc del departamento de Cajamarca
para lo cual se realiza un modelamiento hidrolgico e hidrulico con la
finalidad de representar lo ms acertadamente la realidad que origina el
fenmeno de socavacin en puentes, garantizando su estabilidad.
7
4. HIPTESIS Y VARIABLES
4.1. GENERAL
Con los criterios tcnicos determinados se desarrollara el Modelamiento
Hidrolgico e Hidrulico que arroje socavacin en los puentes Potrero
(km 165 + 527.00) y Maygasbamba (km 197 + 688.15) en 2.5 m de
profundidad.
Variables:
Variable Independiente (V1) : Precipitacin mxima.
Variable Dependiente (V2) : Profundidad de socavacin
4.1.1. OPERACIONALIZACIN DE LAS VARIABLES
I-1. Operacionalizacin de las variables. 7
VARIABLE Indicador Medicin
(V1) Precipitacin mxima. mm .
m3/s .
(V2) Profundidad de socavacin. m .
5. OBJETIVOS
5.1. OBJETIVO GENERAL
Realizar estudios de ingeniera bsica (hidrologa e hidrulica) para los
puentes Potrero (km 165 + 527.00) y Maygasbamba (km 197 688.15)
ubicados en la carretera Chota Bambamarca Hualgayoc del
departamento de Cajamarca.
5.2. OBJETIVOS ESPECFICOS
Para el modelamiento hidrolgico:
- Recopilar informacin Cartogrfica (Cartas Nacionales)
- Delimitar las cuencas de las quebradas Potrero y Maygasbamba.
- Calcular parmetros geomorfolgicos de las quebradas Potrero y
Maygasbamba.
8
- Ubicar estaciones hidrometeorologica que tienen influencia sobre la
zona de estudio.
- Determinar rea de influencia de estaciones mediante el mtodo de
polgono de Thiessen.
- Recopilar informacin hidrometeorologica
- Anlisis de consistencia de la informacin hidrometeorologica.
- Evaluar las distribuciones de frecuencia ms usadas en la hidrologa
para definir las distribucin de mejor juste a los registros histricos
para las estaciones hidrometeoro lgicas de mayor influencia en la
zona de estudio.
- Analizar estadsticamente precipitaciones mximas en 24 horas para
periodos de retornos de 100 y 500 aos, mediante la distribucin de
mejor ajuste.
- Modelar con HEC- HMS el proceso lluvia escorrenta para la
obtencin de las descargas mximas para periodos de retorno de 100 y
500 aos en las cuencas de las quebradas Potrero y Maygasbamba.
Para el modelamiento hidrulico:
- Representar el modelo digital de la topografa del cauce de las
quebradas Potrero, Maygasbamba y Hualgayoc en el tramo donde se
encuentra emplazados los puentes respectivos. Aproximadamente 300
m aguas arriba y 500 aguas abajo.
- Determinar el coeficiente de rugosidad de Manning para el cauce de
las quebradas Potrero y Maygasbamba en el tramo donde se encuentra
emplazados los puentes respectivos.
- Modelar con HEC RAS el nivel de superficie de agua producida por
descargas mximas (periodos de retorno 100 y 500 aos) en tramos de
cauce de las quebradas Potrero y Maygasbambac donde se encuentra
emplazados los puentes respectivos.
- Determinar las caractersticas hidrulicas del flujo para descargas
mximas (correspondientes a periodos de retorno de 100 y 500 aos) a
su paso a travs de la seccin de cruce de los puentes Potrero y
9
Maygasbamba; y de secciones aguas arriba (aprox. 300 m) y aguas
abajo (aprox. 500 m) desde las secciones de cruce (puentes)
respectivas.
- Determinar la socavacin general y local; y determinar las
profundidades de cimentacin recomendadas para los puentes Potrero
y Maygasbamba
- Disear obras de proteccin para los puentes Potrero y Maygasbamba.
6. JUSTIFICACIN
Justificacin acadmica: El proyecto de tesis se justifica acadmicamente
porque permitir aplicar la teora de Hidrologa e Hidrulica a la
modelacin del proceso lluvia escorrenta en cuencas, determinacin de
parmetros hidrulicos en el cauce de un rio frente avenidas extraordinaria
y calcular la profundidad de socavacin en puentes.
Justificacin Tcnica: El presente proyecto est orientado al clculo de
socavacin en puentes; se utilizarn modelos matemticos para calcular
descargas mximas en cuencas, calcular la variacin de la superficie de
agua en rgimen permanente y calcular la profundidad de socavacin en
puentes.
Justificacin social: Los puentes tienen un importancia social innegable,
pues su esencia es la de unir lo que est separado. Los daos y/o colapso
de un puente tienen un significado muy importante. En general pueden
implicar prdida de vidas humanas, daos a las propiedades y la
interrupcin del servicio, lo que significa imposibilidad o dificultad en la
comunicacin terrestre, aislamiento de los pueblos, perjuicio a las
actividades comerciales, escasez y encarecimiento de alimentos y de
artculos de primera necesidad. Los daos tambin pueden tener
implicancias en aspectos de la Defensa Nacional, adems, por cierto, de la
necesidad de afrontar los costos de reposicin, as como los costos
sociales, polticos y estratgicos.
10
7. MARCO TERICO
7.1 Puentes
7.1.1 Aspectos generales
Los puentes son las estructuras mayores que forman parte del
drenaje transversal de la carretera y permiten salvar o cruzar un
obstculo natural, el cual puede ser el curso de una quebrada o un
ro.
Es importante tener en cuenta que un puente no ser estable si no
loes el tramo fluvial comprometido. El ro es por naturaleza
esencialmente mvil y cambiante. En consecuencia, el estudio de
un puente que interacta con un ro no puede independizarse del
correspondiente estudio de hidrulica Fluvial. La estabilidad
fluvial, lograda durante cientos o miles de aos por el ro, puede
verse seriamente alterada por la construccin de un puente.
La profundidad del estudio hidrulico tiene que depender de ciertas
caractersticas del puente en particular, como podran ser: su
importancia dentro de la red vial, consecuencias de su falla, costo,
tipo de estructura, riesgos aceptables, etc. A las que debe aadirse
las correspondientes al ro. En el presente Manual se definir como
puente a la estructura cuya luz sea mayor o igual a 6.0 m, siguiendo
lo establecido en las especificaciones AASHTO LRFD.
7.1.2 Consideraciones para el diseo
En este tem se proceder a describir las consideraciones generales
para el desarrollo de los estudios de hidrulica fluvial de puentes
sobre cauces naturales. Asimismo, se describir en forma general
las tcnicas ms apropiadas para el diseo hidrulico y la
informacin bsica para la obtencin de los parmetros hidrulicos.
Cabe sealar que el buen funcionamiento hidrulico, no slo
depende de un anlisis correcto y del uso adecuado de las frmulas
matemticas correspondientes; si no tambin de un conocimiento
11
cabal de las condiciones hidrulicas locales en la cual se
fundamenta su diseo.
a) Informacin bsica
En este tem, se establecer recomendaciones generales para la
ejecucin de los estudios de hidrulica fluvial para puentes, que
incluye, aspectos topogrficos, ejecucin de muestreos para la
determinacin de dimetros representativos del lecho y criterios
para la estimacin de la rugosidad del lecho.
Topografa batimetra del cauce y zonas adyacentes
El levantamiento topogrfico que se requiere, debe abarcar
el tramo involucrado donde se proyectar el puente,
recomendndose que dicho levantamiento topogrfico debe
comprender lo siguiente:
- En ros con amplias llanuras de inundacin donde el
puente produzca contraccin del flujo de avenida el
levantamiento abarcar 12 veces el ancho del cauce
principal aguas arriba del eje propuesto y 6 veces hacia
aguas abajo.
- En ros donde el puente no produzca contraccin del
flujo de avenida y ofrezca una pendiente pronunciada el
levantamiento topogrfico abarcar 8 veces el ancho del
cauce principal aguas arriba del eje propuesto y 4 veces
hacia aguas abajo. El levantamiento topogrfico no debe
ser menor a 150 m aguas arriba y 150 m aguas abajo del
eje del puente propuesto.
- En caso que el eje del puente propuesto se ubique cerca
de la desembocadura con un ro principal, lago o mar el
levantamiento topogrfico deber incluir la zona de
confluencia.
Sin embargo, el requerimiento mnimo para el
levantamiento topogrfico puede extenderse o limitarse, sin
perjudicar los objetivos del proyecto.
12
Entonces, se recomienda que el levantamiento topogrfico
debe incluir la estructura existente, niveles de agua actuales,
marcas de agua en la estructura existente, toma del perfil
longitudinal del curso natural, secciones transversales del
curso natural espaciados no mayor a 0.5 veces el ancho del
cauce principal del curso natural y otros aspectos y/o
singularidades de relevancia para el estudio hidrulico,
teniendo en cuenta adems la forma irregular que
generalmente presentan las secciones transversales de los
cauces naturales, el levantamiento topogrfico deber
representar la zona en estudio adecuadamente de tal manera
que permita identificar puntos altos, bajos e irregularidades
del lecho como islotes, zonas de depresin asociadas a
socavacin, etc. Para estudios en regiones de selva de
nuestro pas, el levantamiento topogrfico - batimtrico
deber abarcar las reas de inundacin asociadas a las
crecidas de los cursos naturales muy comunes en esta zona,
es decir, el levantamiento topogrfico deber cubrir toda la
zona afectada por este fenmeno relevante para el estudio.
Ubicacin del puente
La eleccin de la ubicacin del puente debe ser la ms
ptima, desde el punto de vista hidrulico, geotcnico y de
diseo Vial; es decir debe ser tal, que el curso natural no
afecte su estabilidad y a su vez el puente no produzca
cambios morfolgicos en el curso natural.
De preferencia en los proyectos de carreteras, es
recomendable que la ubicacin del puente sea definido en la
etapa inicial de un estudio; para ello, los especialistas en
trazo - diseo vial, hidrulica y geotecnia; evaluaran las
condiciones existentes tanto aguas arriba, como aguas
abajo, en una longitud no menor a 300 m. (a partir de los
13
cruces o bados existentes). Esta actividad permitir
programar: los levantamientos topogrficos para el
modelamiento hidrulico, requerimientos de estudios de
suelos, ubicacin de las prospecciones geotcnicas, toma de
muestra de los sedimentos, u otro que sea necesario y pueda
preverse oportunamente.
Los aspectos que deben ser tenidos en cuenta en relacin a
la ubicacin de puentes, se resalta los siguientes:
- Forma de las cuencas tributarias.
- Estabilidad fluvial del tramo fluvial comprometido,
- Grado de sinuosidad de los cauces existentes y
presencia de lecho abandonados,
- Caractersticas topogrficas de los terrenos y forma de
los cauces,
- Cobertura vegetal existente,
- Caractersticas geolgicas o singulares, tales como
afloramientos rocosos, existencia de gravas, arenas, etc.
- Obras de drenaje existentes aguas arriba y debajo de la
obra objeto del estudio y su posible influencia sobre la
misma,
- Caractersticas de los cauces principales tales como, sus
secciones, alineamiento, los obstculos, la vegetacin
existente y la naturaleza de los acarreos.
- Calidad aparente de los materiales sobre los cuales se va
colocar las obras de drenaje principales.
- Evidencias de corrosin en estructuras metlicas
existentes o desgaste en estructuras de concreto.
A continuacin, se presentan los procesos morfolgicos
asociados al diseo de puentes y que deben ser tomados en
cuenta para su diseo y emplazamiento.
14
- Evolucin de meandros:
El cauce es nico pero en forma de curvas. La
ondulacin en planta se acompaa de una asimetra en
las secciones transversales. sta geometra del ro
evoluciona de manera compleja por lo que el puente
debe ubicarse en la zona de mayor estabilidad.
- Cauces trenzados:
Los ros que presentan cauces trenzados se caracterizan
por formar cauces secundarios en el interior del cauce
principal. Generalmente, estos cursos presentan
pendientes fuertes, gran transporte slido y lechos de
material grueso. Es importante tomar en cuenta la
configuracin en planta de este tipo de ro para el
emplazamiento del puente, ya que cambia con el nivel
de agua y con el tiempo, donde la sobre deposicin de
sedimentos genera flujos en direccin de las orillas que
son afectadas paulatinamente por erosin, causando la
presencia de barras e islotes con cauces ramificados de
tendencia a incrementar su ancho.
- Cauces avulsionados:
Las avulsiones son fenmenos que deben tomarse en
cuenta al momento de elegir la ubicacin del puente,
dado que consisten en el abandono sbito del curso
principal por otro aleatorio, originado por la
sedimentacin de un tramo de ro, esto produce una
elevacin del lecho, forzando al ro a adoptar un curso
diferente pero ms cmodo.
- Erosin en curvas:
No se recomienda la ubicacin de un puente sobre el
desarrollo de curvas exteriores, debido a que las
velocidades en las curvas exteriores son
15
significativamente mayores produciendo procesos de
erosin que pueden afectar su estabilidad.
- Efectos de remanso:
No se recomienda la ubicacin del puente en un
tributario cerca de la confluencia con un ro principal,
pues los sbitos cambios de elevaciones crean efectos
de remanso que pueden conducir a la agradacin del
lecho en esta zona.
Muestreo y caracterizacin del material del lecho
El objetivo del muestreo y caracterizacin del material del
lecho es la determinacin del tamao representativo que
englobe todo el espectro de tamaos presentes en l.
El muestreo del material de cauce deber ser representativo,
para determinar su gravedad especfica y anlisis
granulomtrico. Las muestras del material del cauce deben
ser tomadas al menos en cuatro puntos, dos en el eje del
puente, y a 0.5B y B metros aguas arriba, donde B es el
ancho promedio del ro. En cada punto se deben tomar tres
muestras: en la superficie, a 1.5 veces el tirante promedio
del ro, y a una profundidad intermedia, siempre y cuando
las condiciones de excavacin y la presencia de agua lo
permiten.
La eleccin del tamao representativo para el clculo de la
socavacin en cauces naturales, usualmente se realiza de la
siguiente manera:
- Obteniendo el D50 de toda la distribucin
granulomtrica, comnmente considerado como el
dimetro representativo de toda la distribucin.
- Tambin se utiliza el dimetro medio de la distribucin
mediante la siguiente relacin.
16
Donde:
Di : Es el tamao de la partcula en que el i(%) indica el
porcentaje en eso de las fracciones de las partculas
cuyo tamao es menor o igual a ese dimetro Di .
pi : Es el porcentaje en peso del material cuyo tamao
cae dentro del intervalo cuya marca de clase es Di , para
i = 1n intervalos.
Avenida de diseo o caudal mximo y perodos de
retorno
Para realizar el estudio hidrulico de puentes, en primer
lugar se debe realizar el estudio hidrolgico con el objetivo
de obtener la avenida de Diseo o el caudal mximo en
condiciones de crecida.
Para obtener la avenida de diseo o el caudal mximo en la
seccin de inters de un cauce natural (ro o quebrada)
adems de los mtodos de anlisis regional e hidrulico
(seccin-pendiente y modelamientos), existen dos formas
de ms comunes de obtenerlo; la primera consiste en la
aplicacin de teoras estadsticas a series histricas de
caudales mximos (mtodo hidrolgico) registrados en el
tramo fluvial de inters o cercano a el; la segunda forma, se
refiere a los mtodos indirectos mediante el uso de
relaciones precipitacin escorrenta (mtodo
hidrometeorolgico), a partir de informacin pluviomtrica
registrada en el rea o cuenca hidrogrfica de inters.
La avenida de diseo o caudal mximo est asociado a un
perodo de retorno especfico y este a su vez depende del
riesgo de falla y vida til de la obra.
17
- Para obtener la avenida de diseo en el tramo fluvial de
emplazamiento del puente, se deber compatibilizar el
perodo de retorno del evento hidrolgico, con el riesgo
admisible y la vida til de la obra, este ltimo
obviamente, depender del tipo de material constitutivo
del puente En caso de que el puente se construya en una
ciudad con alta densidad de poblacin, o se ubique
medianamente aguas abajo de sta, sobre un ro de
amplias llanuras de inundacin, el perodo de retorno
debe ser superior a 100 aos.
- Para la estimacin de la profundidad de socavacin, el
perodo de retorno mnimo deber ser igual al utilizado
en el diseo del puente y para un caudal de no ms de
500 aos de periodo de retorno que es el caudal para
verificar la estabilidad de la cimentacin del puente. En
ese caso, se considera que se trata de un evento extremo.
Glibo o Altura libre.
El glibo se define como el espacio libre entre el nivel
mximo del flujo de crecida y el nivel inferior del tablero
del puente proyectado.
El objetivo del glibo es dejar pasar las fluctuaciones de
flujo cuando la corriente interacta con la estructura
proyectada producto de la sobrelevacin del flujo, por
efectos de remanso, transporte de materiales flotantes como
ramas, palizadas, troncos e incluso rboles y otros
materiales flotantes que transporta la corriente.
En nuestro pas, la variacin de las condiciones geogrficas
y la actividad humana sobre las cuencas hacen que los
cursos naturales adems de descargas lquidas tambin se
produzcan transporte de slidos de fondo (material de
18
acarreo), transportes en suspensin y en flotacin como
ramas, palizadas y hasta rboles.
Es muy comn que en los ros de nuestro pas haya
abundante transporte de slidos debido al carcter
torrentoso de los mismos, con manifestada erosin de los
suelos en la partes altas de las cuencas por actividad
humana, muchas veces muy alejadas de los principios del
uso racional de los recursos naturales. Por tanto, el diseo
de los puentes exige la consideracin de un glibo
conveniente para dar paso no slo al flujo (lquido y slido)
sino tambin a los materiales flotantes. En la etapa de
diseo de puentes, se recomienda lo siguiente:
- Cuando existe evidencia que la corriente transporta
material slido, troncos, palizada u otros objetos
voluminosos, el glibo mnimo asociado al nivel de
aguas mximas deber ser, 2.5 m.
- En el caso que la corriente sea relativamente limpia, se
considerar un glibo de 2.0 m por encima del nivel de
aguas mximas extraordinarias.
- En el caso de ros navegables, la altura del glibo se
sujetar a lo establecido en el Manual de Diseo
Geomtrico DG-2001.
Coeficiente de rugosidad de cauces naturales (n de
Manning)
Para obtener el coeficiente de Manning, se requiere de la
experiencia del especialista para realizar las estimaciones,
que puede apoyarse en antecedentes de casos similares,
tablas y publicaciones tcnicas disponibles, sobre la base de
los datos recopilados en la etapa de campo.
19
En el presente tem, se dan a conocer recomendaciones
prcticas para la estimacin del coeficiente de rugosidad en
cauces naturales y se describen a continuacin.
- En la Tabla N 09, se presentan valores del coeficiente
de rugosidad de Manning donde el valor del coeficiente
de rugosidad depende de varios factores asociados a la
vegetacin, geomorfologa y caractersticas geomtricas
propias de los cauces naturales.
- Cowan propone un mtodo, segn el cual el clculo del
coeficiente de rugosidad, puede estimarse mediante la
siguiente relacin:
n = m5 (n0 + n1 + n2 + n3 + n4)
n0: Rugosidad base para un canal recto, uniforme,
prismtico y con rugosidad homognea.
n1: Rugosidad adicional debida a irregularidades
superficiales del permetro mojado a lo largo del tramo
en estudio.
n2: Rugosidad adicional equivalente debida a variacin
de forma y de dimensiones de las secciones a lo largo
del tramo en estudio.
n3: Rugosidad equivalente debida a obstrucciones
existentes en el cauce.
n4: Rugosidad adicional equivalente debida a la
presencia de vegetacin.
m5: Factor de correccin para incorporar efecto de
sinuosidad del cauce o presencia de meandros.
En la Tabla I-2, se aprecian los valores correspondientes a
las variables utilizadas por Cowan.
20
I-2. Tabla de Cowan para determinar la influencia de
diversos factores sobre el coeficiente n. 20
Fuente: Hidrulica de tuberas y canales. Arturo Rocha
Cuando los lechos de los cauces naturales estn constituidos
por material pedregoso, donde el sedimento es representado
por un dimetro medio, se recomienda el uso de la ecuacin
de Strickler para la estimacin de n0.
D: Dimetro representativo de la rugosidad superficial (m).
El dimetro D es equivalente al dimetro D65, D90 o D95
dependiendo del acorazamiento del lecho. Particularmente,
cuando los sedimentos ofrecen una granulometra gruesa y
21
extendida, el dimetro medio de la coraza es cercano al D90
o D95 obtenido de la curva granulomtrica original del
lecho.
Dentro de las publicaciones tcnicas se tiene la publicacin
Water Supply Paper 1949 del US Geological Survey que
presenta fotografas de diferentes corrientes naturales,
indicando para cada caso el valor del coeficiente de
rugosidad de Manning, calibrado con mediciones de
terreno. Esta publicacin es una buena referencia y gua
para estimar los coeficientes de rugosidad en cauces
naturales.
Las recomendaciones presentadas en los prrafos anteriores
permiten la estimacin del coeficiente de rugosidad
asumiendo que el cauce natural presenta una rugosidad
homognea, sin embargo, en la naturaleza, los cauces
naturales presentan secciones transversales que no tienen
una rugosidad uniforme u homognea, ofreciendo una
rugosidad compuesta.
Cuando la rugosidad global o rugosidad compuesta de la
seccin vara con el tirante de agua, se debe, a que a
distintas profundidades intervienen zonas de la seccin con
diferentes rugosidades. Este es el caso de los cursos
naturales donde el lecho est constituido de un cierto tipo de
material y las mrgenes por otro tipo, usualmente con
presencia de vegetacin en las zonas de inundacin.
Para evaluar la rugosidad compuesta, se propone el mtodo
de Einstein y Banks, quienes demostraron mediante
experimentos que los valores de la rugosidad estn
asociados a distintos sistemas independientes entre s y que
pueden superponerse linealmente. Es decir, que el rea de la
seccin transversal del curso natural es separable y se
supone que para cada subseccin es vlida la ecuacin de
22
Manning y que la velocidad media en la seccin es
uniforme.
Entonces el coeficiente de rugosidad global generado por m
subsistemas est dado por:
{
}
n : Coeficiente de rugosidad global o compuesta de la
seccin total.
n i : Coeficiente de rugosidad asociado a la subseccin i.
x i : Permetro mojado de la subseccin i.
x : Permetro mojado de la seccin total.
i = 1,2,m subsecciones.
Fajas marginales
(Reglamento de la Ley de Recursos Hdricos Ley N
29338, Art. 113 y 114) las fajas marginales son bienes de
dominio pblico hidrulico. Estn conformadas por las
reas inmediatas superiores a las riberas de las fuentes de
agua, naturales o artificiales. Las dimensiones en una o
ambas mrgenes son fijadas por la Autoridad
Administrativa del Agua, y se realiza de acuerdo los
siguientes criterios:
- La magnitud e importancia de las estructuras hidrulicas
de las presas, reservorios, embalses, canales de
derivacin, puentes, entre otros.
- El espacio necesario para la construccin, conservacin
y proteccin de las defensas ribereas y de los cauces.
23
- El espacio necesario para los usos pblicos que se
requieran.
- La mxima crecida o avenida de los ros, lagos, lagunas
y otras fuentes naturales de agua.
No se considerarn las mximas crecidas registradas por
causas de eventos excepcionales.
Evaluacin de obras existentes e informacin adicional
La evaluacin de obras existentes en el curso natural es muy
importante para el diseo definitivo de una nueva
estructura, porque permite verificar que la obra proyectada
no provoque alteraciones desde el punto de vista de la
hidrulica fluvial sobre obras existentes o viceversa, como
cambios bruscos de pendiente que produzcan erosin,
sedimentacin, efectos de remanso, formacin de nuevos
cauces, etc. Dicha evaluacin comprender tambin el
comportamiento hidrulico estructural de las obras
existentes, informacin relevante a ser tomada en cuenta
para el diseo de la estructura proyectada.
Adems de la evaluacin de las obras existentes en el cauce,
es imprescindible y necesario conocer, las caractersticas
locales del cauce, como reas inundables, puntos crticos de
desborde, frecuencia de inundacin, pocas donde
incrementa su caudal, marcas de agua dejadas por avenidas
anteriores, puntos crticos donde se presenta erosin y
sedimentacin, material que acarrea la corriente, entre otras
informaciones necesarias para el diseo, lo cual se puede
conseguir a travs de consultas a pobladores de ms
antigedad en el lugar del proyecto.
El objetivo principal de los datos recopilados en campo es
proporcionar al especialista una visin completa del tramo
24
en estudio, para la ubicacin de los puentes o para la
proteccin de riberas.
7.1.3 Parmetros hidrulicos para el diseo de puentes
Los parmetros hidrulicos asociados al diseo de puentes son los
siguientes:
a) Perfil de flujo
El perfil de flujo permitir obtener el nivel alcanzado por el
agua para el caudal de diseo. El clculo del perfil de flujo
deber incluir la presencia del puente proyectado, debido a que
cuando el flujo interacta con la estructura, se produce una
sobreelevacin del nivel de agua a la entrada del puente y una
depresin del nivel de agua en la salida, este comportamiento
es normal ya que el agua debe ganar energa potencial a fin de
que pueda atravesar por la seccin contrada. Una vez conocido
los niveles de agua, el especialista puede establecer la altura
mnima que ofrecer el puente.
b) Socavacin
La socavacin es un fenmeno hidrodinmico que es la causa
ms frecuente de falla que afecta las cimentaciones de los
puentes. Dicho fenmeno es una combinacin de distintos
procesos, unos que se producen a largo plazo y otros
transitorios por el paso de avenidas.
El proceso de socavacin en un puente se analiza como erosin
potencial total y es de carcter estimativo, la cual combina la
socavacin producida en la seccin del puente y sus
inmediaciones, causada por el estrechamiento del cauce debido
a su construccin y la socavacin local que se produce en las
inmediaciones de los pilares y estribos rodeados por la
corriente del ro. Sin embargo, cabe indicar que estos procesos
de socavacin son inherentes a la presencia del puente sobre el
25
curso natural, porque existen otros procesos de socavacin que
ocurren de manera independiente a la presencia del puente y
son la socavacin general y la socavacin en curvas que
tambin debern ser tomados en cuenta al momento dela
estimacin de la socavacin potencial total.
7.1.4 Clculo hidrulico
El clculo hidrulico de un puente significa en primer lugar
determinar la capacidad hidrulica de la seccin de escurrimiento,
es decir si el caudal de diseo pasa adecuadamente a travs de l,
luego determinar la sobreelevacin del nivel de agua provocada por
la presencia del puente y estimar el nivel de socavacin potencial
total en la zona de los apoyos.
a) Clculo de niveles de agua
Para el estudio de la capacidad hidrulica y el clculo de la
sobreelevacin del nivel de agua, se realiza un clculo en
rgimen permanente gradualmente variado, la cual permite
calcular niveles de agua cuando la geometra fluvial es
irregular.
El modelo matemtico utilizado corresponde a un flujo
unidimensional, no uniforme, permanente y de lecho fijo. El
modelo se basa en la aplicacin de la Ecuacin de la Energa:
Donde:
Zn + Pn : Nivel del pelo de agua en los extremos del tramo
(m)
Vn : Velocidad media en la seccin mojada en los
extremos del tramo (m)
1, 2: Coeficiente de la no-uniformidad de distribucin de
las velocidades en la Seccin mojada.
26
g : Aceleracin de la gravedad (m/s2)
E : Total de prdidas de energa en el tramo del curso
de agua considerado en el clculo, de una longitud L (m).
En la ecuacin anterior, los subndices 1 y 2 se refieren a dos
secciones distintas, la seccin 1 ubicada aguas arriba de la
seccin 2.
En la solucin numrica iterativa de la ecuacin, la incgnita es
el nivel de agua Z1 + P1/ en la seccin 1 y es dato el nivel de
agua en la seccin 2, Z2 + P2/. Se procede desde aguas abajo
hacia aguas arriba cuando el flujo es subcrtico, mientras que se
procede en forma inversa cuando el flujo es supercrtico.
El clculo iterativo se puede realizar mediante dos mtodos, el
primero es el mtodo del paso directo y el segundo es el mtodo
del paso estndar.
Un modelo muy empleado en nuestro medio es el HEC RAS
(Hydrologic Engineering Center - River Analysis System),
actualmente muy utilizado para calcular parmetros hidrulicos
para diseo de obras de cruce en cauces naturales desarrollado
por el U.S. Army Corps of Engineers.
A continuacin, se presentan las consideraciones para obtener
el perfil de flujo.
a.1) Consideraciones
a) En una seccin debe existir un tirante conocido.
Si el flujo es subcrtico, se debe conocer la seccin
aguas abajo.
Si el flujo es supercrtico, se debe conocer la seccin
aguas arriba.
b) Se considera que el flujo es gradualmente variado y
permanente.
27
c) En el tramo no existe variacin de caudal. Si existe
variacin de caudal, debe incluirse aguas arriba en
cada tramo.
d) La pendiente de fondo es pequea (menor a 10)
b) Estimacin de la socavacin
b.1) Procesos de socavacin asociados al diseo de puentes
En el presente tem se describir los procesos de socavacin
inherentes al diseo de puentes.
En nuestro pas la causa hidrulica ms frecuente de fallo de
puentes es la socavacin, que tiene lugar en la zona de sus apoyos,
la cual afecta las cimentaciones, ya sea por su insuficiente nivel de
desplante o por construccin inadecuada. La socavacin es un
proceso que se produce a largo y corto plazo o Transitorio, como
en el caso de la ocurrencia de avenidas. Generalmente los fallos
ocurren cuando se producen las avenidas, Sin embargo, tambin se
presentan con procesos que ocurren a largo plazo.
La estimacin de la profundidad de socavacin para el diseo de
puentes debe tomar en cuenta los siguientes aspectos; la socavacin
que ocurre independientemente de la presencia del puente como
socavacin general, socavacin en curvas, etc., la socavacin que
Ocurre en la seccin del puente debido al estrechamiento del cauce
por la presencia del puente (socavacin por contraccin) y la
socavacin que ocurre en la zona de sus apoyos (socavacin local
de pilares y estribos rodeados por la corriente).
La suma de las componentes de la socavacin, permite obtener la
Socavacin potencial total, mediante expresiones que consideran
Socavaciones mximas por el lado de la seguridad.
Se recomienda que el valor estimado para la profundidad de
Socavacin potencial total, sea consecuente con lo observado en la
Etapa de campo, respecto a los materiales que subyacen en el lecho
del cauce y sobre la base de los ensayos de laboratorio de las
muestras extradas de las calicatas, pozos exploratorios y de la
28
informacin obtenida de sondeos geofsicos. Esto, debido a que la
estimacin de la profundidad de socavacin, se realiza mediante
mtodos empricos que conllevan en algunos casos a obtener
resultados que no son reales.
La profundidad de socavacin parte de suponer que sta depende
de variables que caracterizan al flujo, al material presente en el
lecho del cauce y a la geometra del puente. Por ello, existe mucha
incertidumbre sobre el uso de las ecuaciones y sobre que ecuacin
representa mejor las condiciones reales del curso natural y del
puente.
Existe poca informacin sobre modelos tericos para estimar la
profundidad de socavacin, debido al alto grado de incertidumbre y
a la complejidad de las variables involucradas, por ello, se recurre a
los resultados de investigaciones experimentales de laboratorio
basadas en el anlisis dimensional, que como se ha mencionado
anteriormente, dan resultados muchas veces muy conservadores y
contradictorios. Las ecuaciones disponibles en la actualidad son
envolventes a resultados obtenidos a modelos fsicos de
laboratorio.
El software HEC RAS versin 3.1.1 (2003) adems de permitir
realizar la hidrulica en la zona del puente tambin permite realizar
la estimacin de la profundidad de socavacin en el puente, por
contraccin y la socavacin local en pilares y estribos usando las
ecuaciones recomendadas en HEC-18, 2001. Sin embargo, se deja
establecido que la obtencin de la seccin hidrulica del puente y la
estimacin de la socavacin en sus apoyos, especialmente en
nuestro medio no se debe limitar al uso del HEC RAS y debe
aplicarse en forma responsable luego de ser calibrado, donde el
juicio y criterio ingenieril prevalecen.
b.2) Socavacin general
Para fines de estimacin con el objetivo de diseo de puentes es
usual adoptar un criterio conservador que consiste en calcular la
29
mxima profundizacin posible del lecho, bajo una condicin
hidrulica dada.
La mxima profundizacin del cauce ocurre cuando se alcanza la
condicin de transporte crtico, donde la velocidad de flujo se
reduce a tal punto en que la corriente no puede movilizar y arrastrar
ms material del lecho y a su vez no existe transporte de material
desde aguas arriba.
Por lo tanto, cuando se produce la avenida, la seccin geomtrica
del cauce se modifica dando lugar a una nueva seccin, la cual
obviamente est socavada, donde el lecho queda en condiciones de
arrastre crtico o de transporte incipiente.
A continuacin se describen algunos mtodos para la estimacin de
la profundidad de socavacin general bajo la condicin en que la
velocidad de escurrimiento es igualada por la velocidad crtica de
arrastre y estimacin de socavacin general por contraccin del
cauce.
b.2.1) Mtodo de velocidad crtica y agua clara
Este mtodo utiliza el criterio del principio de movimiento de un
fondo granular bajo una corriente permanente, igual al criterio de
Shields y la hiptesis de agua clara, es decir que la corriente no
transporta sedimentos.
La profundidad mxima de socavacin general se alcanza cuando
la velocidad crtica es igualada por la velocidad media de la
seccin, donde la velocidad crtica est en funcin del parmetro de
tensin crtica adimensional, de la frmula de Strickler para el
coeficiente de rugosidad de Manning y las caractersticas del
material del lecho.
(
*
( )
30
Donde:
Vcr : Velocidad crtica en la seccin (m/s).
Rh : Radio hidrulico de la seccin (m).
D50 : Dimetro correspondiente al 50 % en la curva
granulomtrica (m).
D : Dimetro caracterstico del lecho (m).
s : Peso especfico del suelo (T/m3).
: Peso especfico del agua (T/m3).
Para la obtencin del dimetro caracterstico D del suelo
erosionado puede emplearse el D84 que toma en cuenta el
acorazamiento del lecho.
b.2.2) Mtodo de Lischtvan Levediev
El mtodo propuesto por Lischtvan-Levediev es el ms usado en
nuestro pas para el clculo de la socavacin general incluyendo el
efecto de la contraccin de un puente. Se fundamenta en el
equilibrio que debe existir entre la velocidad media real de la
corriente (Vr) y la velocidad media erosiva (Ve). La velocidad
erosiva no es la que da inicio al movimiento de las partculas en
suelos sueltos, sino la velocidad mnima que mantiene un
movimiento generalizado del material del fondo. Si el suelo es
cohesivo, es la velocidad que es capaz de levantar y poner el
sedimento en suspensin. La velocidad erosiva est en funcin de
las caractersticas del sedimento de fondo y de la profundidad del
agua. La velocidad real est dada principalmente en funcin de las
caractersticas del ro: pendiente, rugosidad y tirante o profundidad
del agua.
El mtodo se basa en suponer que el caudal unitario
correspondiente a cada franja elemental en que se divide el cauce
natural (Figura N 07) permanece constante durante el proceso
erosivo y puede aplicarse, con los debidos ajustes, para casos de
cauces definidos o no, materiales de fondo cohesivos o
31
friccionantes y para condiciones de distribucin de los materiales
del fondo del cauce homognea o heterognea.
Figura 3. Seccin transversal del cauce
Fuente: Jurez Badillo E y Rico Rodrguez A (1992)
a) Para suelos granulares
Se tiene la siguiente ecuacin:
*
+
( )
La expresin anterior no considera el efecto de la contraccin del
flujo debida a la presencia de estribos y pilares, ni el peso
especfico del agua durante la creciente, por lo que debe corregirse
mediante unos factores de ajuste cuando se trata de evaluar un
puente.
El factor de correccin por contraccin es menor que 1 y
contribuye al incremento de la profundidad de socavacin.
En la siguiente tabla se muestra el factor de correccin por
contraccin del cauce .
32
I-3: Factor de correccin por contraccin del cauce. 32
Fuente: Jurez Badillo E y Rico Rodrguez A (1992)
V : Velocidad media en la seccin transversal.
: 1.0, si no hay obstculos.
Para puentes de una sola luz, la luz libre es la distancia entre
estribos. Para puentes de varios tramos, la luz libre es la mnima
distancia entre dos pilares consecutivos, o entre el pilar y estribo
ms prximos.
Adicionalmente, el efecto del peso especfico del agua durante la
creciente se considera en otro factor de correccin que es mayor
o igual que la unidad y su efecto es reducir la profundidad de
socavacin.
1.0, si m = 1.0 T/m3 (agua clara)
Peso especfico de la muestra agua sedimento.
0.54 + 1.5143 m, si m m > 1.0 T/m3 (Lecho mvil)
(Coeficiente de correlacin o de ajuste = 0.9983, (Higuera C. y
Prez G., 1989).)
33
La ecuacin final para el clculo de la socavacin considerando los
coeficientes de correccin por contraccin y peso especfico de
agua, es la siguiente:
*
+
( )
Donde:
Hs - h1 : Profundidad de socavacin (m)
h : Tirante de agua (m)
Dm : Dimetro caracterstico del lecho (mm)
Coeficiente de frecuencia.
Factor de correccin por contraccin del cauce.
Factor de correccin por forma de transporte de sedimentos.
b) Para suelos cohesivos
Considerando los coeficientes de correccin por contraccin y peso
especfico del agua durante crecientes, se tiene:
*
+
( )
Donde:
Hs - h1: Profundidad de socavacin (m)
h : Tirante de agua (m)
Peso especfico del sedimento del lecho (T/m3)
Coeficiente de frecuencia.
Factor de correccin por contraccin del cauce.
Factor de correccin por forma de transporte de sedimentos.
34
b.2.3) Mtodo de Straub
La siguiente expresin se usa para tener un estimativo del posible
descenso que sufrir el fondo del cauce debido a una reduccin en
su seccin transversal.
(
*
Donde:
Hs - h1: Profundidad de socavacin (m)
B1 : Ancho de la superficie libre del cauce aguas arriba de la
contraccin (m)
B2 : Ancho de la superficie libre del cauce en la contraccin
(m)
h1 : Tirante de agua hacia aguas arriba de la contraccin (m)
b.2.4) Mtodo de Laursen
Considera los casos de socavacin en lecho mvil o en agua clara.
Es el mtodo m{as usado en los Estados Unidos de Amrica,
(HEC- 18, 1993, 1995).
Clculo de la socavacin por contraccin en lecho mvil Se usa
una versin modificada de la ecuacin de Laursen de 1960 (HEC
18, 1993, 1995 y Laursen E. M., 1960). La ecuacin asume que el
material del lecho es transportado en la seccin aguas arriba del
puente.
(
*
(
*
Donde:
Hs - h2: Profundidad media de socavacin por contraccin (m)
Hs : Profundidad media del flujo en el cauce en la seccin
35
contrada del puente despus de la socavacin (m)
h1 : Profundidad media del flujo en el cauce principal y laderas
que transportan sedimentos aguas arriba del puente (m)
h2 : Profundidad media del flujo en la seccin contrada del
Puente antes de la socavacin. Puede usarse h1 en cauces
arenosos con lecho mvil, caso en el que el hoyo dejado
por la socavacin es rellenado con sedimentos (m).
Q1 : Caudal en la seccin aguas arriba del cauce principal y
laderas que transportan sedimentos. No incluye flujo sobre
las laderas del ro con agua clara (m3/s).
Q2 : Caudal en la seccin contrada del puente y laderas que
transportan sedimentos. No incluye flujo sobre las laderas
del ro con agua clara (m3/s)
B1 : Ancho del cauce principal y laderas en la seccin aguas
arriba que transportan sedimentos (m)
B2 : Ancho neto del cauce principal y laderas que transportan
sedimentos en la seccin contrada sustrayendo el ancho de
las pilas(m)
k1 : Exponente en funcin del modo de transporte de
sedimento, de la velocidad de corte aguas arriba del puente
y de la velocidad de cada del material del lecho.
I-4. Valores del coeficiente k1. 35
Fuente: HEC-18., 1993
La velocidad de corte se expresa como sigue:
36
Donde:
V* : Velocidad de corte en el cauce principal o ladera en la
seccin aguas arriba (m/s)
w : Velocidad de cada para D50 segn la Figura N 08 (m/s)
g :Aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2)
S1 Gradiente hidrulico en la seccin aguas arriba del puente
(m/m)
D50 : Dimetro de la partcula de lecho en una mezcla cuyo
50%es menor (m)
Figura 4. Velocidad de cada (w) para partculas de arena
Fuente: HEC-18., 1993
Clculo de la socavacin por contraccin en agua clara
Se usa la siguiente ecuacin dada por Laursen.
(
)
37
La ecuacin anterior es una simplificacin de la siguiente ecuacin
tambin sugerida por Laursen:
(
( ) )
Donde:
Ks : Parmetro de Shields igual a 0.039
Gs : Gravedad especfica del material del lecho igual a 2.65
n : Coeficiente de rugosidad de Manning igual a 0.041
Hs - h2: Profundidad media de socavacin por contraccin (m)
Hs : Profundidad media del flujo en el cauce en la seccin
contrada del puente despus de la socavacin (m)
h2 : Profundidad existente en la seccin contrada del puente
antes de la socavacin (m)
Q2 : Caudal a travs del puente o en las laderas sin transporte
de sedimentos (m3/s)
Dm : Dimetro medio efectivo del material ms pequeo del
lecho o en la zona de inundacin que no es transportado
por el flujo. Si no se tienen datos precisos, Dm=1.25D50
en (m)
B2 : Ancho efectivo del cauce en el puente descontando el
ancho de los pilares (m)
b.3.1) Socavacin local
En este tem se describirn algunos mtodos para la estimacin de
la profundidad de socavacin local que se produce en las zonas de
los pilares como en los estribos del puente.
b.3.1.1) Estimacin de la socavacin local en pilares
Existen varios mtodos para el clculo de la socavacin local
alrededor de pilares, pero a la fecha no existe ninguna solucin
rigurosa ni exacta. La mayora de las ecuaciones son aplicables
38
para cauces aluviales y no consideran la posibilidad de que
materiales ms gruesos y de mayor peso, presentes en el lecho,
acoracen el hoyo que se produce por la socavacin, lo que limitara
su profundidad. En 1965, Breusers propuso que la profundidad de
socavacin era de 1.4 veces el ancho del pilar. Recientemente,
otros investigadores como B. W. Melville, Sutherland y Chang, han
reportado que la socavacin local mxima es aproximadamente 2.4
veces el ancho del pilar para el caso de pilares circulares. En los
estudios hechos, el nmero de Froude fue menor que 1.0.
Otras formas de pilares diferentes a la circular pueden disminuir
este valor o la presencia de desechos puede incrementarlo. El valor
de la relacin profundidad de socavacin al ancho de la pilar (ds/a)
puede llegar a 3.0 para nmeros de Froude altos. En conclusin, se
sugiere preliminarmente para pilares con punta circular alineadas
con el flujo que la constante sea tomada igual a 2.4 para nmeros
de Froude menores que 0.8 y a 3.0 para nmeros de Froude
mayores que 3.0.
Dentro de los muchos mtodos que existen para estimar la
profundidad de socavacin local en pilares de puentes, se han
seleccionado algunos, con la finalidad de ilustrar la gran variedad
existente y cules son los parmetros involucrados: Laursen y Toch
(1953, 1956); adaptacin de Neill (1964) al mtodo de Laursen y
Toch; Larras (1963); Neill (1964); Arunachalam (1965, 1967);
Carsten (1966); Maza Snchez (1968); Breusers, Nicollet y Shen
(1977); Universidad Estatal de Colorado (CSU); y Melville y
Sutherland (1988), Froehlich (1991). Entre otros mtodos de
clculo reportados en la bibliografa especializada estn: Shen, Jain
y Fischer, Inglis-
Poona, Chitale y Yaroslavtziev. Para mas detalles, consultar:
Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W. 1977; Higuera, C. H.
y Prez G. (1989); M. E. Guevara, A., 1998.
39
Figura 5. Comparacin de ecuaciones para el clculo de la
socavacin local con socavaciones medidas en campo segn
Jones
Fuente. HEC 18., 1993
Cabe anotar que el mtodo desarrollado por la Universidad Estatal
de Colorado (CSU) da valores intermedios con relacin a otras
ecuaciones, tal como se ilustra en la Figura N 09 que presenta
resultados obtenidos aplicando diferentes frmulas y algunos
obtenidos de mediciones de campo, (HEC 18, 1993).
b.3.1.1.1) Mtodo de Laursen y Toch (1953,1956)
Este mtodo fue desarrollado en el Instituto de Hidrulica de Iowa
y fue confirmado con algunas mediciones en el ro Skunk
realizadas por P. G. Hubbard, del mismo laboratorio en la dcada
del cincuenta.
40
Se desarroll bajo condiciones de transporte continuo de
sedimentos, (Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A., 1992). El
mtodo es aplicable para suelos arenosos, no est claro si se puede
aplicar para gravas, pero definitivamente no es vlido para el caso
de boleos. Laursen y Toch realizaron sus investigaciones
observando la mxima socavacin que se puede presentar para un
tirante dado de la corriente. Ellos observaron que la mxima
profundidad de socavacin era independiente de la velocidad del
flujo pues la socavacin no progresaba al mantener fijo el tirante y
aumentar considerablemente la velocidad de la corriente. Este
argumento resulta al suponer que un cambio en la velocidad del
flujo y en el tamao de los sedimentos produce un cambio
proporcional en el cortante lmite, y en la capacidad de transporte
de sedimentos en la zona donde se produce la socavacin,
considerando constantes la profundidad del flujo y la profundidad
de socavacin. Su mayor inters era la socavacin mxima y no
dan ningn criterio para el caso de que no exista arrastre en el
fondo. Los resultados fueron presentados en forma grfica y se
resumen en las siguientes ecuaciones.
- Caso del flujo de agua paralelo al eje mayor del pilar
Donde:
ys : Profundidad de socavacin local medida a partir del fondo
de cauce (m)
Kf : Coeficiente que depende de la forma de la nariz del pilar
(Figura 4)
Kg : Coeficiente que depende de la relacin H a s / (Figura N
11)
Hs : Profundidad de agua despus de producida la socavacin
por contraccin (m)
a : Ancho del pilar (m)
41
Figura 6. Coeficiente Kf. Mtodo de Laursen y Toch
Fuente: Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. 1992
Figura 7. Coeficiente Kg. Mtodo de Laursen y Toch
42
Fuente: Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. 1992
- Caso de flujo de agua con ngulo de ataque al eje de mayor
dimensin del pilar
Donde:
k : Coeficiente que depende del ngulo de ataque del flujo y
de la geometra del pilar (Figura 6).
En este caso la profundidad de socavacin no depende de la forma
del pilar
R. Ettema (1990) plantea que las curvas de la Figura 6 sugeridas
por Laursen y Toch en 1956, presentan una inconsistencia asociada
con los ngulos de ataque de 0 y 90, puesto que considera que el
efecto del coeficiente K debe ser el mismo si se toma un ngulo
de ataque de 90 y el ancho del pilar, o si se considera un ngulo de
0 y el largo del pilar. Lo nico claro es que las investigaciones
fueron hechas tomando en cuenta el ancho del pilar y as debe
usarse el grfico. Tambin, critica el hecho de que los coeficientes
de correccin por forma del pilar y por ngulo de ataque se usen en
forma combinada cuando fueron resultado de experiencias
independientes.
43
Figura 8. Coeficiente K. Mtodos de Laursen y Toch,
Breusers, Nicollet y Shen, y Melville y Sutherland
Fuente: Jurez Badillo E. y Rico Rodrguez A. 1992
b.3.1.1.2) Mtodo de Neill (1964)
La ecuacin resultante del ajuste de datos experimentales obtenidos
por Laursen y Toch para socavacin en pilares circulares y
rectangulares, fue expresada por Neill en la siguiente forma,
(Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W., 1977):
( )
Donde:
ys : Profundidad de socavacin medida a partir del fondo de
cauce (m)
a' : Ancho proyectado del pilar (m)
h : Profundidad del flujo aguas arriba del pilar (m)
Se considera que esta ecuacin proporciona la mxima profundidad
de socavacin que se espera para cualquier velocidad.
44
Para pilares de nariz redondeada, el coeficiente puede ser 1.2 en
vez de 1.5 en la ecuacin anterior.
b.3.1.1.3) Mtodo de Larras (1963)
Larras propone una ecuacin terica prctica deducida a partir de
mediciones llevadas a cabo en varios puentes, despus de haberse
producido la avenida. Larras se concentr en la mxima
profundidad de socavacin para condiciones prximas a la
velocidad crtica del movimiento de sedimentos.
Donde:
ys : Profundidad de socavacin medida a partir del fondo de
cauce (m)
a : Ancho del pilar (m)
K= K f K
Luego:
Donde:
K f : Factor de correccin por forma del pilar (Tabla I-5)
Factor de correccin por el ngulo de ataque de la corriente (Tabla
I-5)
En forma aproximada K = 1.0 para pilares cilndricos y K= 1.4 para
pilares rectangulares.
45
I-5: Factor de correccin Kf por forma del pilar. Mtodos de
Larras y Melville y Sutherland. 45
Fuente: Higuera C. y Prez G. 1989 y Melville B. W. 1988
46
I-6. Factor de correccin k por ngulo de ataque del flujo.
Mtodo de Larras. 46
Fuente: Higueras C. y Prez G. 1989
Figura 9. Formas usuales de pilares. Mtodo de Larras
Fuente: Higueras C. y Prez G. 1989
47
b.3.1.1.4) Mtodo de Arunachalam (1965, 1967)
Arunachalam realiz una modificacin de la ecuacin de Englis
Poona (1948) y propuso la siguiente expresin, (Breusers, H. N. C.,
Nicollet, G. y Shen, H. W., 1977):
[ (
)
]
Donde:
: Profundidad de socavacin (m)
q : Caudal unitario aguas arriba del puente (m3/s-m)
a : Ancho del pilar (m)
b.3.1.1.5) Mtodo de Carsten (1966)
Carsten propuso la siguiente expresin para condiciones de
socavacin en lecho mvil, (Shen H. W., Schneider V. R., 1969):
(
*
Donde:
Ns : Nmero del sedimento
: Peso especfico relativo cuyo valor para cuarzos es 1.65
D : Tamao del sedimento
a : Ancho del pilar (m)
La ecuacin puede usarse en cualquier sistema de unidades
compatibles y es de las pocas que involucra el efecto del tamao
del sedimento.
48
b.3.1.1.6) Mtodo de Maza-Snchez (1968)
Es un mtodo aplicable para lechos cubiertos por arena y grava. El
mtodo se basa en el uso de curvas elaboradas a partir de resultados
experimentales de laboratorio efectuadas en la Divisin de
Investigacin de la Facultad de Ingeniera de la UNAM en Mxico.
Las curvas se obtuvieron experimentando con materiales entre 0.17
mm y 0.56 mm de dimetro. La socavacin obtenida a partir de
estas curvas para partculas con dimetro medio de 1.3 mm es
mayor a la obtenida experimentalm
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