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LA INGENIERIA HIDRAULICA
EN EL DISEO DE PRESASY PUENTES
Ing. EDGAR RODRIGUEZ [email protected]@infonegocio.net.pe
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MAPA DELPERU
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HIDROLOGIA
LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DELA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION,SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y
SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE,INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERESVIVOS
LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE
AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUEATAEN AL DISEO Y OPERACIN DEPROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL
CONTROL Y EL USO DEL AGUA
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EL CICLO HIDROLOGICO
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GEOMORFOLOGIA FLUVIAL
1. CLASIFICACION DE LOS RIOSa. Por su edad:
- Ros Jvenes- Ros Maduros
- Ros Viejosb. Por sus reas de inundacin
- Ros sin reas de inundacin (confinados)
- Ros con reas de inundacin
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Ro con reas deinundacin
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CLASIFICACION DE LOS RIOS
(Continuacin)c. Clasificacin Morfolgica de los Ros
- Ros Rectos
- Ros Trenzados
- Ros Mendricos
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Ro Trenzado
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Ro Mendrico
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CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuacin)
Lane observ y estudi ros como elMississippi, Missouri, y encontr las siguientes
relaciones empricas:
(meandros)
0017.04/1
SQ
(trenzado)1.0SQ 4/1
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PRESAS
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PRESA DE CONCRETO GRAVEDAD
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PRESA DE ARCO
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PRESA DE ARCO
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PRESA DE TIERRA
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SECCION DE LA PRESA HACIA AGUAS ABAJO
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SECCION DE LA PRESA DE TIERRADE SECCION MIXTA
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CORTE EN LA ZONA DE UBICACIN DELAS COMPUERTAS
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FLUJO A TRAVES DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA
1 CONSIDERACIONES PARA DETERMINAR LA
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1. CONSIDERACIONES PARA DETERMINAR LAALTURA DE UNA PRESA
a. Nivel Mximo Normal de Agua ( Hn ). Es el mximonivel de agua almacenado en un reservorio, sin
considerar la ocurrencia de avenidasb. Nivel de Sobrecarga ( Hs ). Es el mximo nivel en elcual la masa de una determinada avenida se
almacena temporalmente ms all del nivel mximonormal de agua
c. Nivel Durante la Ocurrencia de la Avenida de Diseo( Hd ). Es el mximo nivel de agua que ocurre cuandoel exceso de agua proveniente de la avenida de
diseo fluye a travs del vertedero de demasias
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d Ni l M i d A E l i i l d
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d. Nivel Mnimo de Agua. Es el mnimo nivel de aguarespecto al volumen neto del reservorio y a la
capacidad por debajo de este nivel que corresponde alvolumen muerto
e. Altura de las Olas Producidas por el Viento ( hV )hV = 0.00086 V1.1 F0.45 metros
F = Fetch, es la mxima distancia medida desde la
presa, hasta el otro extremo del reservorio,durante la ocurrencia de la avenida de diseo
V = Velocidad del vientof. Altura de las olas debido a sismos ( hS ). Frmula de
Seiichi SatoK = Coeficiente ssmico de diseo
hS = ( K /2 ) ( g Hn) = Ciclo del terremoto, seg.
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ALTURA DE LA PRESA ( H )
En Japn se recomienda que la altura H de la presadebe ser el mayor valor qque dan las siguientesrelaciones
En el caso que hV < 1,entonces H = Hd + 2Hd + hV + 1
En el caso que hV + hS/2 < 2,entonces H = HS + 3
HS + hV + hS/2 +1
En el caso que hV + hS < 2,entonces H = Hn + 3
Hn + hV + hS + 1
ObservacionesAltura H ( mts )
2. CONSIDERACIONES SOBRE LA DETERMINACION
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DEL VOLUMEN DEL RESERVORIOLa determinacin de la capacidad total de un reservorio
est en funcin de tres principales componentes:a. El almacenamiento activo, o volumen neto requerido
para la regulacin del flujo de un rob. El volumen muerto requerido para el
almacenamiento de sedimentos
c. La capacidad de almacenamiento para regulacin deinundaciones
Cada uno de estos componentes, que forma lacapacidad total del reservorio, pueden sermodelados y estudiados separadamente, y despues
sumados para determinar el volumen total del vasode almacenamiento
2 2 Almacenamiento Activo o Volumen Neto
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2.2 Almacenamiento Activo o Volumen Neto
Los caudales que discurren por un ro no sonconstantes en el tiempo.
E ibl l l t i t d l
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Es posible regular el comportamiento delregimen de un ro almacenando parte delvolumen de agua mediante la construccin deuna presa. La determinacin del volumen de
almacenamiento S se hace mediante un estudiode operacin de reservorios
St + Qt Dt Lt = St+1St = Volumen del reservorio en el tiempo 1St+1 = Volumen del reservorio en el tiempo t + 1
Qt = Caudales de entrada no reguladosDt = Caudales de salida del reservorio de acuerdo a
las demandas
Lt = Prdidas por evaporacin e infiltracin
2 2 V l M t l Al i t d
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2.2 Volumen Muerto para el Almacenamiento deSedimentos
El destino final de todos los reservorios es
llenarse con los sedimentos que transporta elro.
En base a los clculos de transporte desedimentos y al perodo de vida delreservorio, que puede ser de 50, 10, 200
aos, etc, se determina un volumen muerto,que ser llenado por los sedimentos duranteel periodo de vida del reservorio
3 CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEO DEL
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3. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEO DELVERTEDERO DE DEMASIAS
3.1 Avenida de Diseo. Se debe estimar la
avenida de diseo con el propsito de losclculos de la estabilidad de la presa, y paracalcular las dimensiones del vertedero de
demasas, y de la altura de la presa.Para el clculo de la avenida de diseo se
debe recurrir al estudio de la probabilida ofrecuencia con la cual un determinado caudalpuede ser igualado o excedido
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3.2 Transito de avenidas a traves de embalses
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Este anlisis es importante para la
determinacin de la altura de la presa yde las dimensiones del vertedero de
demasas y compuertas
En caudal que sale por el vertedero dedemasa, y a travs de las compuertases meno que el caudal de avenida que
entra al reservorio, debido al efectoregulador del embalse
La curva A representa el hidrograma de la
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p gavenida de diseo
La curva B es el hidrograma de salida a travsdel vertedero y de las aberturas de las
compuertas, determinada en base a un estudio detrnsito de avenidas a travs del embalse
Curva A
Curva B
I O = dS/dt
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DISIPADOR DE ENERGIA
VERTEDERO LATERAL
VERTEDERO DE CANAL LATERAL
VERTEDERO DE POZO
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VERTEDERO DE POZO
DISIPADOR DEENERGIA
VERTEDERO DE DEMASIAS DE POZO O MORNING GLORY
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CRESTA DEL VERTEDERORECOMENDADA POR U.S.ARMY ENGINEERSWATERWAYS EXPERIMENTSTATION
DISIPADORES DE ENERGIA
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DISIPADORES DE ENERGIA
V1 > 18 m/sFr1 4.5
V1 < 18 m/sFr1 4.5
2.5 < Fr1 < 4.5
4 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE
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4. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRELAS OBRAS DE TOMA
Las obras de toma sirven para regular o dar
salida al agua lamacenada en una presa
Las estructuras de las obras de toma puedendescargar directamente en el ro, o se tienenobras que descargan en un canal, o bras que
descargan en una tubera forzada
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EJEMPLO DE UNA ESTRUCTURA DE TOMA EN UNAPRESA PEQUEA
La boca de entrada de la toma debe tener un
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Perfil adecuado para evitar turbulencia y
Problemas de cavitacin
FORMA DE LA ENTRADA DE LA TOMA
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PUENTES
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PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTEPUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTELA OCURRENCIA DEL FENOMENO EL NIOLA OCURRENCIA DEL FENOMENO EL NIO
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PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CADO A
RAZ DEL FENMENO EL NIO 1998
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EFECTOS DEL FLUJO SOBRE UN PUENTE
Las caractersticas de un hidrograma de crecientes dependen
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Las caractersticas de un hidrograma de crecientes dependende las caractersticas de la cuenca
Rio Llalli - Puno Ro Mayo San Martn
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1. PROCESOS EROSIVOS
a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS
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a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS
Caractersticas del Flujo en Curvas
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ABLa migracin de meandrosse produce por el continuo
proceso de erosin lateral
PUENTE UBICADO EN CURVA - EROSIONES
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b. SOCAVACION GENERAL dg
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g
- Cuando ocurre una avenida (Qmax) segenera una variacin en el nivel del lechodel ro
- Pueden haber fenmenos de agradacin ode socavacin
- Los fenmenos de socavacin general sonmuy peligrosos y tienen que ser tomados
en cuenta para definir las profundidadesde cimentacin de los pilares y estribosdel puente
EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION
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GENERAL DEL CAUCE
Socavacin General
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Socavacin General
Es el descenso temporal del fondo de un ro
producido por una creciente o avenida.
Se debe al aumento de la capacidad dearrastre del material slido de la corrienteoriginado por su mayor velocidad.
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C. EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONESLOCALES DEL FLUJO (Erosin Local)
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LOCALES DEL FLUJO (Erosin Local)
Efecto del pilar de un puente
ESPIGONES O ESPOLONES
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Caractersticas del Flujo alrededor de los espigones
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Socavacin local
a. Espign con inclinacin hacia aguas arriba
Erosin de ribera
b. Espign con inclinacin hacia aguas abajo
Socavacin local
Socavacin local
c. Espign normal al flujo
Socavacin local
SOCAVACION LOCAL
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SOCAVACION LOCAL
Los procesos de erosin local, se originan en
movimientos vorticosos que ocurren al pie deobstculos puntuales al flujo en un cursofluvial.
Se circunscribe a un lugar determinado, y a
veces tambin est limitada a una ciertaduracin. Rocha (1999)
D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE
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D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE
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2. FLUJO EN UN DE UN RIO
FLUJO EN UN RIO
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FLUJO EN UN RIO
Impermanente
No Uniforme Turbulento
Tri-dimensional
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CALCULO DE VARIABLESHIDRAULICAS
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EN FLUJO UNIFORME
VELOCIDAD:
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Velocidad Media
V = R2/3.S1/2/n (Frmula de Manning)
R: Radio HidrulicoS: Pendiente de fondon: Coeficiente de rugosidad deManning
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Coeficiente de Rugosidad
Adopta valores de acuerdo a la caracterstica del lecho
Depende de:Tamao de partculas de fondo
Tamao de formas de fondo
0.011
0.025
0.040
Cemento Liso
Tierra Gravosa
Tierra con Pedrones
nSupeficie
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ESFUERZO CORTANTE:
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- Esfuerzo Cortante en el fondo(o)
o=.h.S
: Peso Especfico del Aguah: Tirante
S: Pendiente de Fondo
- Perfl de Esfuerzos Cortantes(y)
y=.(h-y).S
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EN FLUJO NO UNIFORME:
- Flujo Gradualmente Variado
- Flujo Rpidamente Variado
GEOMETRIA DEL CAUCE
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La geometra del cauce depende
principalmente de:
- La descarga Q
- Las caractersticas del lecho del ro
- El material de las riberas
- El transporte de sedimentos
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3. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE ELCOMPORTAMIENTO DEL RIO
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COMPORTAMIENTO DEL RIO
- La construccin de pilares y estribos deun puente, y de las estructuras deproteccin de las riberas, influyen en eltrnsito de avenidas
- Esto hace que existan cambiosmorfolgicos en el ro, en la geometra
del cauce, en la relacin entre los nivelesde agua y descarga
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AGRADACIN PRODUCIDA EN EL CAUCE
Tipos de flujo dentro de un puente (1)
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SOCAVACIN LOCAL EN PILARES DE PUENTE DE BANOS CORTOS, O
ALCANTARILLAS TIPO MARCO
a. TRABAJOS DE RECONOCIMIENTO DECAMPO
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CAMPO
Se debe hacer un reconocimiento inicial decampo:
- Se debe determinar si el ro tiene llanurasde inundacin o cauces profundos
- Se debe determinar si el ro esestticamente estable, dinmicamenteestable, o inestable
- Estudiar las variaciones de los niveles deagua
a. RECONOCIMIENTO DE CAMPO(continuacin)
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( )
- Estudiar aproximadamente los rangos devariaciones de descargas
- Determinar el ancho de las llanuras deinundacin, y las caractersticas de los
meandros- Analizar el tipo y granulometra delmaterial del lecho
- Analizar los materiales que conforman lasriberas del ro
b. ESTUDIOS DE HIDROLOGIA
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Los principales datos a obtener del anlisishidrolgico son:
- La avenida de diseo (Qmax)
- Caudales medios y mnimos
- Curva caudal .vs. Tirante en la zona deconstruccin del puente
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C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTANEN RELACION CON LA UBICACIN
DEL PUENTE
ESTUDIO DE LA ZONA DE CRUCE DEL PUENTE
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MIGRACIN DEL CAUCE PRINCIPAL DEL RIO AFECTANDO AL PUENTE
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VISTA DE UN PUENTE DONDE EL RO PRESENTA MIGRACIN LATERALVISTA DE UN PUENTE DONDE EL RO PRESENTA MIGRACIN LATERALY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHAY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHA
UNA SELECCIN ADECUADA
UNA SELECCIN ADECUADA
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DE LA UBICACIN DELPUENTE
1 Ubicacin no recomendada,
puente en zona de
confluencia de tributarios.
2 Puente colocado en curva
fuerte, no recomendada
3 Puente en tramo al final decurva
DE LA UBICACIN DELPUENTE
1 Ubicacin no recomendada,
puente en zona deconfluencia de tributarios.
2 Puente colocado en curva
fuerte, no recomendada
3 Puente en tramo al final de
curva
ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIN DEL PUENTE
ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIN DEL PUENTE
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1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanico
fluvial.
2. Canalizacin recta de un tramo del ro.3. Ro con perodos prolongados de niveles bajos.
4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente
por aporte de ro tributario.
5. Puente ubicado aguas abajo de una presa
6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminucin de los tirantes aguas abajo del
puente.
1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanico
fluvial.
2. Canalizacin recta de un tramo del ro.
3. Ro con perodos prolongados de niveles bajos.
4. Exceso de sedimentos en la abertura del puentepor aporte de ro tributario.
5. Puente ubicado aguas abajo de una presa
6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminucin de los tirantes aguas abajo del
puente.
ESCARPADO ABANICOALUVIAL
El nivel del cauce sepuede elevar.
El nivel del cauce sepuede elevar.
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PLANO
La direccin del flujo esincierta.
El cauce es inestable
La direccin del flujo esincierta.
El cauce es inestableCRUCE AGUAS ABAJO DE UN ABANICO FLUVIAL
Mayor pendiente Mayor velocidad
Aumento del transporte desedimentos Socavacin y posible erosinretrograda
Inestabilidad de mrgenes El ro puede divagar Peligro de erosin ysocavacin de las fundaciones
Mayor pendiente Mayor velocidad
Aumento del transporte desedimentos Socavacin y posible erosinretrograda
Inestabilidad de mrgenes El ro puede divagar Peligro de erosin ysocavacin de las fundaciones
CANALIZACIN DE UN TRAMO DEL RO
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A A
CAUCE PARA
CAUDALES ALTOS
CAUCE PARA
CAUDALES BAJOS SECCION A-ACAUCE PARACAUDALES ALTOS
CAUCE PARA
CAUDALES BAJOS
CURSO CARACTERIZADO POR CAUDALES BAJODURANTE PERIODOS MUY PROLONGADOS
Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho Aumenta el riesgo de socavacin de las pilas en el cauce mayor Inestabilidad de mrgenes.
Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho Aumenta el riesgo de socavacin de las pilas en el cauce mayor
Inestabilidad de mrgenes.
Contraccin del ro Aumento de la velocidad
Contraccin del ro Aumento de la velocidad
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Erosin general. Inestabilidad de mrgenes
CURSOPRINCIPAL
CERR
ADO
BARRA
Erosin general. Inestabilidad de mrgenes
TRIBUTARIO
EXCESO DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEBIDO A LA PRESENCIA
DE UN TRIBUTARIO INMEDIATAMENTE AGUA ARRIBA
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PUENTE CON ABERTURA REDUCIDA POR LAAGRADACIN DE SU LECHO
Socavacin del lechoPosibles cambios morfolgicos del ro.Erosin localizada
Socavacin del lechoPosibles cambios morfolgicos del ro.
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LECHO ORIGINAL
EROSIN
LOCALIZADA
SOCAVACIN A
PIE DE PRESA
Posible inestabilidad de mrgenes.Posible destruccin de la estructurapor falla de la presa.
Erosin localizadaPosible inestabilidad de mrgenes.Posible destruccin de la estructurapor falla de la presa.
DESCARGA DE AGUA LIMPIA
LECHO FINAL
REDUCCIN DEL APORTE DE SEDIMENTOS DESDE AGUAS ARRIBA
Sedimentacin Disminucin de la seccin del canal
Sedimentacin Disminucin de la seccin del canal
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Cambios en la geometra del ro Aumento de los niveles de crecida Cambios en la geometra del ro Aumento de los niveles de crecida
DEPOSICION
REPRESA
AUMENTO DEL NIVEL
ELEVACIN DEL NIVEL AGUAS ABAJO
PUENTE
EROSI
N
RETROG
RADA
Erosin retrgrada. Socavacin local ygeneralizada.
Inestabilidad de las mrgenes
Erosin retrgrada. Socavacin local ygeneralizada.
Inestabilidad de las mrgenes
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TRIBUTARIO
DISMINUCIN DE LOS TIRANTESAGUAS ABAJO DEL PUENTE
EROSIN RETROGRADA DISMINUCIN
CURSOPRINCIPALT
RIBUT
AR
IO
SENTIDO
DELFLUJO
DEL NIVEL
CURSO PRINCIPAL
D. ESTUDIOS DE HIDRULICA PARA EL
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DISEO DE PUENTES
Clculo de perfiles de flujo. Problemas de socavacin.
Fuerzas sobre pilares de puentes. Pasos a seguir en los Estudios Hidrulicos
Control de erosin en puentes y en lasestructuras de proteccin
Clculo de los perfiles de flujo
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Ecuacin de continuidad Ecuacin de la energa
Ecuacin de la cantidad de
movimiento
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DEFINICIN TPICA DE LA CONTRACCIN DEL FLUJO EN UN
PUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION
Tipos de flujo dentro de un puente (1)
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Tipos de flujo dentro de un puente (2)
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Tipos de socavacin
V i i d l i l d l l l
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Variaciones del nivel del cauce a lo largode ro
Socavacin por contraccin Socavacin local
En pilares En estribos
En diques
Erosin total= General+Contraccin+Local
Variaciones del nivel del cauce a lo
l d l ( l)
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largo del ro (general)
AgradacinElevacin del nivel del cauce
Socavacin general
Disminucin del nivel del cauce
Clculo de la Socavacin - Mtodo de LISCHTVAN-LEBEDIEV
Pte Rio Tomas Seccin 0+010 Aguas Arriba
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Pte Rio Tomas Seccin 0+010 Aguas Arriba
541.00
542.00
543.00
544.00
545.00546.00
547.00
548.00
549.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
x (m)
Cota(msn
m)
Cota Terreno en estiaje Nivel de aguas Cota Socavada
Erosin mxima =1.73 m
CLCULOS
S i l l
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Socavacin local
En pilares En estribos
En diques En espigones
ESQUEMA
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ESQUEMAGENERAL DELFLUJO
ALREDEDORDE UN PILARCON FRENTE
REDONDEADO
MEC NISMO DE EROSIN LOC L
EN PIL RES
DE PUENTES
Vrtice
MEC NISMO DE EROSIN LOC L
EN PIL RES
DE PUENTES
V ti
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Vrtice
deHerradura
Vrticede
Estela
Vrticede
Estela
VrticedeHerradura
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ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR
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Flujo Flujo
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Tpico problema de escombros atrapados
en pilar circular.
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PRESENCIA DEESCOMBROS EN PILARES
DE PUENTES
PRESENCIA DEESCOMBROS EN PILARES
DE PUENTES
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VISTA DE SOCAVACIN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBREPILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR STE.
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COLOCACIN DE CAISSONS PARA CIMENTACIN DE PILARES DE
PUENTES.
Estribo
y LSup
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y Luperficiedeagua
Caud
al
Angulo.
Canal
Princ
ipal
Talud
1:1
Fondo
sin erosin
Flujo
ESQUEMA GENERAL DE UN ESTRIBO DE PUENTE SOBRE UN
RIO
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CARACTERISTICAS DEL FLUJO SOBRE UN ESTRIBO DE
PUENTE
SENTIDO
DEL FLUJO
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SIMULACIN DE SOCAVACIN EN ESTRIBO
TPICO
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En pilares
DIVERSAS CLASES DE EROSIN QUE AFECTAN A LOS PUENTES
E. Estructuras de Proteccin
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Proteccin de Pilares
Proteccin de Estribos Proteccin de Riberas
Niveldel lecho
natural Nivel luego de la
erosin general
Flujo
PILAR
ENROCADO DE
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Erosin Local Enrocado deproteccin
PILAR a
2.5 a
3.0 a
a
PROTECCIONALREDEDOR DE
UN PILAR,RECOMENDADOPOR GALES
Proteccin de Estribos
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Sustituir el material erosionable del fondo,al pie del estribo, con un enrocado
Colocar en el extremo de cada estribo undique de encauzamiento o dique gua
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PROTECCIN DE LOS ESTRIBOS DE PUENTE MEDIANTE CAJAS DEGAVIONES
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ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONMEANDMEANDROS.ROS.
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Ubicacin de diques gua en un puente
Proteccin de Riberas
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Enrocados de Proteccin, o conotros elementos
Diques de encauzamiento
Gaviones Muros de concreto
Espigones
ENROCADO
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OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONESDE GAVIONES
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