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UNIVERSIDAD NACIONAL
SANTIAGO ANTNEZ DE MAYOLO
FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS
ESCUELA DE INGENIERIA AGRICOLA
Aplicacin de las formulas empricas y el programa de Hec-Raspara estimar la profundidad de socavacin entorno a los estribos
del puente de Jangas
PROYECTO DE TESIS
DOCENTE:
Dr Ing Fidel G Aparicio Roque
PRESENTADO POR:
Zegarra Huamaliano Jarry Edein
HuarazPer
2014
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ANTECEDENTES DEL PROBLEMA
SMITH, Adam (1976)Bridge failures indica que, estudi los casos de 143 puentes
que haban fallado total o parcialmente, encontrando entre sus causas 70 fallas
debidas a que las profundidades de socavacin en una o varias pilas, alcanzaron
niveles inferiores a los que llegaban las cimentaciones de las mismas.
SHIROLE, A. et al. (1991)"Planning for Comprehensive Bridge Safety Assurance
Program" indica que, 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.
American Association of State Highway and Transportation Officials (1994)
indica que, la mayor parte de los puentes que han fallado, en USA y en todo el
mundo, ha sido debido a la socavacin.
Colegio de Ingenieros del Per (1998)seala que, hubo 58 puentes destruidos y 28
afectados, la totalidad de las fallas ocurridas en ambos Meganios tuvo su origen en
problemas de Hidrulica Fluvial.
RICHARDSON (1999) manifiesta que, La mayora de las fallas de puentes en el
mundo es debida a la socavacin MUOZ, Edgar (2000), Estadstica de las causas de falla de puentes en Colombia
indica que, En una investigacin reciente sobre la evaluacin de las causas de colapso
de algunos puentes en Colombia, basada en el estudio de sesenta y tres (63) casos de
fallas totales y parciales se encontr que el 70% se producen por fenmenos
hidrulicos, tales como socavacin y avalanchas.
Secretaria de comunicaciones y transportes - Mxico (2002) informa que, en los
tramos carreteros entre playa Azul- Manzanillo, Manzanillo- Minatitlan , Zihuatanejo-Playa Azul de una base de 77 puentes se report que casi el 81 % de estas, ms de la
mitad presenta algn tipo de socavacin en pilas estribos o taludes debido a las
grandes avenidas
WARDHANA, Kumalasari et al. (2003) Analysis of recentbridge failures in the
united states indica que, 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
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ROCHA FELICES, Arturo (2013), Introduccin a la Hidrulica de las Obras
Viales informa que, 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 (socavacin).
MARTNEZ VARGAS, Alberto et al (2007)boletn tcnico M.I.G -n 20 por qu
fallan los puentes en el Per? informa que, los puentes Bolognesi - Piura, simn
rodrguez de Amopate - Piura de cimentacin en suelos areno - limonso, Huachipa -
Lima de cimentacin en gravas, Requen - Chiclayo con cimientos de arena fallaron
por socavacin.
FORMULACIN DEL PROBLEMA
La socavacin consiste en la profundizacin del nivel del fondo del cauce de una corriente
causada por el aumento del nivel de agua en las avenidas, modificaciones en la morfologa
del cauce o por la construccin de estructuras en el cauce como puentes, espigones, etc.
La Socavacin se relaciona con las fallas de las cimentaciones de puentes en todo el mundo,
algunas de ellas catastrficas y con prdidas de vidas humanas.
El estudio de la socavacin se inici con las investigaciones de E.M. Laursen en 1949, pero
los procedimientos de diseos de estructuras contra socavacin no se iniciaron hasta 1960 y
fue hasta 1998 cuando se especificaron procedimientos unificados para el Clculo desocavacin en los diseos de puentes por parte de la FHWA en los Estados Unidos.
El problema es tan delicado que la FHWA (1998) recomienda disear los puentes contra
socavacin para una inundacin con periodo de retorno de 500 aos, y en los Estados Unidos
se realiza la inspeccin de puentes contra socavacin cada dos aos. La instrumentacin de
las pilas de los puentes como medida de control, es ya un proceso comn en el manejo de
puentes en los pases desarrollados.
Problema General
Cul ser la profundidad de socavacin entorno a los estribos del puente de Jangas
aplicando formulas empricas y el programa Hec-Ras?
OBJETIVOS
Objetivo general
Aplicar formulas empricas y el programa de Hec-Ras para estimar la profundidad de
socavacin entorno a los estribos del puente de Jangas.
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JUSTIF ICACIN
Terica:debido las mximas avenidas y la falta de obras de proteccin en los puentes, esto
hace que se produzca el problema de socavacin, que afecta a la mayora de puentes, puesto
que al momento de disear los puentes los clculos son imprecisos para este problema
fundamental.
El puente de Jangas es uno de los pasos ms importantes de la va principal de transporte del
callejn de Huaylas que influye al movimiento econmico del lugar, de la regin y del pas, y
es por eso que el colapso de ella implicara grandes prdidas econmicas a la poblacin.
Relevancia (importancia):es relevante porque en esta investigacin se expondr la validezde algunas frmulas empricas que se adecuen a la realidad de la zona y tambin
proporcionara una metodologa en el diseo hidrulico de puentes.
Pertinencia (oportuna y conveniente.): es pertinente porque no se encuentra estudios de
socavacin dentro del callejn de Huaylas es y particularmente en el puente de Jangas no
encontramos obras de proteccin aguas arriba por lo que la probabilidad de socavacin es alta
en el estribo izquierdo.
Social:es factible socialmente porque beneficiara a que el transporte se mantenga en buen
funcionamiento sin afectar a la poblacin aledaa
Ambiental: es factible ambientalmente porque para prevenir la socavacin se construir
obras de proteccin que evitara el arrojo de desmontes y basura al pie de los estribos que
indirectamente se produce la contaminacin del rio y del ambiente alrededor.
Econmico:es factible porque econmicamente el costo de la investigacin es mnima
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4.3. MARCO TEORICO
4.3.1ANTECEDENTES DEL TEMA
OSORIO ALEGRE, Edgar (2008) tesis: Socavacin en pilas y estribos del puente
Cuate II Nueva Italia Arteaga km160.312,tiene como Objetivo estimar la profundidad
de socavacin localizada con los Mtodos de Lischtvan-Lebediev, yaroslavtzeiv,
Lauresen-Toch, Maza Snchez, cuyo Resultado es la socavacin mxima en los estribos
izquierdo derecho y la pila que es de 6.3m, 6.3m, 6.6m respectivamente y como
Conclusin debido a la incertidumbre de los mtodos parece razonable aumentar en un
50% la profundidad de socavacin estimada
BAUTISTA AMADO, Carmen et al. (2008) tesis: Estudio de socavacin localizada en
la pila nmero siete del puente Guillermo Gaviria Correa (Barrancabermeja-Yondo)tiene
como Objetivo: anlisis cuantitativo del proceso de Socavacin Local, durante el evento
de inundacin con un perodo de retorno de 100 aos con el Mtodo Melville y Coleman
(2000) junto con el programa HEC-RAS cuyo Resultados indican que la socavacin
general es de 9.37m por contraccin (9.52m, 0.65m) y local (14.37m, 21.27m)
respectivamente; en Conclusin se recomienda un monitoreo de la cimentacin del puente,
pues esta investigacin encontr que para la creciente de diseo, el puente estara ensituacin crtica de falla.
GALIANO AYALA, Lesly et al. (2010) tesis:"Anlisis de la socavacin en cauces
naturales tiene como objetivoe laborar un programa con su respectiva gua de usuario,
para el clculo de la socavacin general y en socavacin en estribos. utilzando como
mtodos las frmulas empricas deLacey, Blench, Maza lvarez y Echavarra Alfaro,
Lischtvan & Lebediev, Kellerhals para socavacin general; Laursen, Liu et al, Melville,
Frochlich, Richardson y Davis, Melville para socavacin en estribos; cuyo resultadosindican que para la socavacin en estribos, se recomienda el uso de la ecuacin por
Richardson y Davis; y para socavacin general la frmula de Maza permite obtener el
perfil socavado sin disponer de la distribucin transversal de velocidades; en Conclusin
la eleccin de la profundidad de socavacin no debe basarse solamente en los resultados
obtenidos mediante las ecuaciones, sino tambin, del buen criterio, experiencia y
conocimiento de las variables involucradas..
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4.3.2MARCO CONCEPTUAL
1.1.INTRODUCCIN
La consecuencia de la accin de los fenmenos fluviales naturales y de las obras hechas
por el ser humano en un cauce es un retroceso de las orillas o descenso del fondo. La
determinacin de estos fenmenos, no es exacta, ya que no existe una teora concreta que
lo permita. Existen dos procesos complejos altamente ligados a estos fenmenos
naturales, que no permiten tener un entendimiento ntegro ni soluciones precisas para los
mismos, que son: la turbulencia, con su complejidad y variabilidad; y el transporte de
sedimentos, con su dependencia en el flujo turbulento. Por lo que con el paso de unacrecida, existe una mayor turbulencia y por lo tanto aumenta la cantidad de sedimentos
transportados. Cuando el caudal desciende a sus niveles normales, el sedimento se
deposita en el fondo, que regresa a su nivel normal, excepto por algunos tramos que se
ven afectados por la socavacin y erosin. Uno de los mayores problemas causados por
una crecida, se presenta en los puentes ya que afecta gravemente a las pilas y a los
estribos, causando, en muchos casos el colapso de los puentes.
1.2.SOCAVACIN
A la socavacin se la conoce como la disminucin del nivel del lecho del ro debido a la
existencia del arrastre de los materiales causado por el agua.
La cantidad de esta reduccin medida desde el nivel inicial es denominada como la
profundidad de socavacin.
1.3.TIPOS DE SOCAVACIN
1.3.1. SOCAVACIN GENERAL
La socavacin general es tambin conocida como socavacin normal. Es el
descenso del fondo de un ro durante una crecida y es debida al aumento de la
capacidad de arrastre que tiene la corriente en ese momento, por su mayor
velocidad.
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Una vez que el agua ha descendido, se puede observar que el fondo se encuentra
a la misma altura y en general la posicin se ha mantenido, excepto en algunos
lugares donde al cauce principal se ha movido.
Este tipo de socavacin es consecuencia del rgimen, y puede ocurrir si seconstruye una estructura o no. Puede ocurrir en un periodo corto o en un periodo
largo, estos se distinguen por el tiempo en que se desarrolla la socavacin. La
socavacin general en periodo corto ocurre durante una o varias crecidas
seguidas. La socavacin general en periodo largo ocurre en espacios de un ao o
varios aos.
Los mtodos que permiten la determinacin de la socavacin general son:
A. PARA LECHOS COHESIVOS
Segn Farraday y Charlton (1983),La profundidad del flujo se calcula suponiendo
que la erosin general ocurrir hasta que la tensin tractiva iguale a la tensin tractiva
crtica, en el lecho. Por lo que la ecuacin propuesta es:
En unidades SI:
.......................(01)
Donde:
hms: se expresa en metros y es la profundidad media del flujo
n: coeficiente de rugosidad de Manning.
q: se expresa en (m2/s) y es el caudal por unidad de ancho para la condicin hidrulica
analizada.
tc: se expresa en (N/m
2
) y es la tensin tractiva crtica.
Mtodo de Mirtskhoulava (1967, 1991),presentada porLauchlan y May (2002):
Ecuacin fundamental en que se basa el procedimiento de clculo de la erosin
general:
..(02)Donde:
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hms: es la profundidad media del flujo (despus de sucedida la erosin general).
q: caudal especfico.
kr: altura de los elementos de rugosidad (kr = 0.75d95).
ec: coeficiente que toma en cuenta la contraccin del flujo y el incremento en el
caudal unitario,
m1: coeficiente de las condiciones de funcionamiento,
mh: es un coeficiente que toma en cuenta el nivel de agua en la planicie de inundacin
(materiales cohesivos: n=4).
vn: velocidad no erosiva en las proximidades del lecho.
o :parmetro que depende de la rugosidad relativa (h/kr).
Para la velocidad vnse propone la siguiente ecuacin:
(03)
Donde n=4, y aplicando a esta ecuacin los valores tpicos de los sedimentos
naturales, se obtiene para la velocidad caracterstica:
..(04)
La velocidad vnest expresada en m/s y d50en metros.
Para determinar b:
.(05)
Mediante la aplicacin de la ecuacin anterior, se puede ver que para el rango de
valores de (h/d95) entre 10 y 100000, o vara entre 0.25 y 0.15, lo cual es tpico de
los cauces naturales. Por lo que el caudal unitario sera elevado al exponente entre0.80 y 0.87, en la frmula para hms.
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FIGURA 01: Variacin del parmetro o.
Fuente: mi r tskhoulava (1991)
Las relaciones mencionadas, tambin son aplicables para lechos compuestos por materiales
arenosos.
B. PARA LECHOS ALUVIALES O NO COHESIVOS
Segn Lacey (1930):Neill (1973), indica que la profundidad media de socavacin:
.(06)
Donde:
Q: (m3/s) es el caudal de diseo.
dm: (mm) dimetro medio.
Segn Blench(1969):
La profundidad media de socavacin puede ser determinada a partir del caudal
unitario:
Para arenas de 0.06 < d50 (mm)
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(07)
Donde:
Q: (m3/s/m) es el caudal unitario por metro de ancho;
d50: (mm) es el tamao del sedimento, donde el 50% es material fino.
La frmula se deriva de estudios en canales con caudal constante, transporte de
sedimentos casi nulo, lecho con dunas arenosas y 0.1 < d50(mm) < 0.6, canal recto en
planta, pendiente uniforme del canal, y la viscosidad del agua = constante.
Para gravas con gravedad especfica del sedimento Ss=2.65 y d50(mm) > 2 mm:
..(08)
Donde:
Q: (m3/s/m) es el caudal unitario por metro de ancho;
d50: (mm) es el tamao del sedimento, donde el 50% es material fino.
La frmula es basada en estudios de ros de grava gruesa.
La hiptesis fundamental sobre la cual se funda el mtodo de Lischtvan & Lebediev
establece que: la distribucin transversal de caudales de una seccin se mantiene
invariable durante todo el desarrollo del proceso erosivo.
La ecuacin de Lischtvan & Lebediev para el rango de las arenas es:
..(09)
Segn Farraday y Charlton (1983), basndose en las investigaciones de Blench sobre
cauces aluviales en rgimen:
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(10)
La profundidad media de socavacin segn Maza lvarez y Echavarra Alfaro (1973)
(Melville y Coleman, 2000; Lauchlan y May, 2002), es:
Para arenas o gravas de d75 (mm) < 6:
(11)
Donde:
hms (m): es la profundidad media de socavacin,
hs (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta,
ho (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta la profundidad mayor
del nivel de agua normal,
hmo (m): es la profundidad del flujo desde el nivel de diseo hasta la profundidad media
socavada,
Q (m3/s):es el caudal,
W (m): es el ancho de la superficie del agua, y
d50 (mm): es el tamao medio del sedimento.
Ese mtodo se bas en los alcances de diferentes autores, que incluyen estudios en
Amrica del Sur. Los tamaos de los sedimentos estn dados entre limos hasta arenas d 75
(mm) < 6. El mtodo es para secciones anchas, por lo que si una seccin no es lo
suficiente ancha, en As = W hms, hms es considerada como el radio hidrulico medio (R =
As /P), donde P es el permetro mojado de la seccin socavada. Los autores aclaran que la
frmula es aplicable en arenas y gravas.
Para la determinacin de la profundidad mxima de socavacin, se utiliza la relacin
(ho/hmo), as:
Para arenas o gravas de d75(mm) < 6:
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(12)
La frmula no incluye los efectos de las curvas.
Las profundidades de socavacin estn basadas en la velocidad crtica media mnima
(Vc(m/s)), en donde se presenta la socavacin del fondo:
Para arenas o gravas de d75(mm) < 6:
(13)
Para la comparacin con otras frmulas propuestas, Maza lvarez y Echavarra Alfaro
(1973): presentan la siguiente ecuacin:
(14)
La frmula de Kellerhals (Farraday y Charlton, 1983; Lauchlan y May, 2002), para cauces
con lechos de grava, se puede interpretar de la siguiente manera para los lechos aluviales:
(15)
Analizando la compilacin ms completa presentada por Lauchlan y May (2002) y las
formulas indicadas, se observa que todas tienen mucha similitud, por lo que se las puede
mencionar de manera genrica, esto se debe a que se basan en criterios dergimen. As,
considerando los rangos tpicos de algunas variables en el caso de cauces fluviales con
lechos arenosos (Farias y Pilan, 2002), se tiene la frmula generalizada:
..(16)
Donde:
hms: es la profundidad media despus de la erosin,
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En cambio en la socavacin en lecho mvil existe transporte de sedimentos del
lecho desde aguas arriba y por lo tanto parte de este sedimento queda atrapado en
el hoyo de socavacin. En este caso, la socavacin alcanza equilibrio cuando la
cantidad de material que es transportado iguala la cantidad de material que es
removido.
Para la estimacin de la profundidad de socavacin en las pilas de puentes y de
estribos se utiliza la siguiente relacin (segn Melville y Coleman2000):
.(17)Donde, K son expresiones empricas para los diferentes factores que afectan a la
profundidad de socavacin. KyB = calado - tamao Kyb para pilas y KyL para
estribos; KI = intensidad de flujo; Kt = tiempo; Kd = tamao del sedimento; Ks =
Forma de la pila o del estribo, K = Alineacin de la pila o estribo; KG = geometra
del canal. La ecuacin es aplicable solamente para socavacin local.
5.3.3.2.1 CaladoTamao de los cimientos (Calado - Tamao)
Los datos donde se identifica la influencia de KyL= f(y,L) en la socavacin local, se
muestran en laFIGURA 03, que incluye los datos de Gill (1972), Wong (1982), Tey (1984),
Kwan (1984, 1988), Kandasamy (1989), Dongol (1994).
Las lneas son la tendencia de los datos, de izquierda a derecha, para estribos anchos, estribos
con ancho intermedio y estribos angostos, en condiciones de umbral de movimiento. Para la
socavacin en agua clara, con velocidades de flujo pequeas, se presenta una profundidad de
socavacin pequea.
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FIGURA 02: Influencia de la superficie del flujo en la Profundidad de socavacin local
en estribos.
Fuente: M elvi l le y Coleman2000
Las ecuaciones para la lnea superior, donde se definen los factores de calado - tamao para
estribos:
(18)
5.3.3.2.2 Factor de intensidad de flujo, KI
Sucede lo mismo que para el caso de las pilas. LasFIGURAS 5.14 y 5.15, contienen datos de
laboratorio de varias fuentes, para la socavacin local en estribos en trminos de KI.
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Fuente: M elvi l le y Coleman2000
5.3.3.2.4 Factor de la forma de la cimentacin, Ks
El factor de forma se define como la relacin de la profundidad de socavacin para una forma
de pila o de estribo en particular. Los valores del factor de forma recomendados para estribos
pequeos se dan en la TABLA 5.10.
TABLA 5. 10: Factores de forma para pilas uniformes y estribos pequeos.
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Fuente: tes is: anlisis de s ocavacin en c ause natur ales (2010)
Y para estribos largos, se tiene:
(20)
En donde, Ks es el factor de forma dado para estribos pequeos.
5.3.3.2.5 Factor de ali neacin de la cimentacin, K
El factor de alineacin de la cimentacin, K, para estribos largos se da en la TABLA 5.13.
TABLA 5. 13: Factor de alineacin para estr ibos, K.
Fuente: tes is: anlisis de s ocavacin en c ause n aturales (2010)
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Para estribos pequeos, el factor de alineacin ajustado K* se da con las siguientes
frmulas:
.(21)
En donde, Kes el de la TABLA 5.13.
5.3.3.2.6 Factor de la geometra del canal de aproximacin, KG
Para los estribos de puentes en canales rectangulares, por definicin KG =1. Para estribos en
canales compuestos, el factor de KG depende de la posicin del estribo en el canal
compuesto, as:
..(22)
En donde, L y L* = longitud total proyectada del estribo y longitud proyectada del estribo
atravesando la llanura de inundacin, respectivamente; y y y* = calados en el cauce principal
y en las llanuras de inundacin, respectivamente; n y n* = rugosidad de Manning en el cauceprincipal y las llanuras de inundacin, respectivamente. En la FIGURA 5.16 se representa
grficamente a la ecuacin que proviene de anlisis tericos que relaciona el flujo en los
estribos en un canal compuesto, con el flujo en un canal rectangular correspondiente.
En la figura se puede observar que las profundidades de socavacin en los estribos situados
en el borde del cauce principal de un canal compuesto (L/L*1), teniendo un calado
reducido (y/y*) y una rugosidad alta (n/n*0) en la llanura de inundacin, pueden ser
reducidas a 10% de la profundidad de socavacin en un canal rectangular equivalente.
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FIGURA 5. 16: Influencia de la geometra del canal en la profundidad de socavacin
local en estribos.
Fuente: M elvi l le y Coleman2000
5.3.3.2.7 Factor del tiempo, Kt
Para la socavacin local en estribos de puentes bajo las condiciones de agua clara, Kt es dado
por la siguiente funcin:
.(23)
La expresin para te:
..(24)
Las ecuaciones de Laursen (1962,1963) y Gill (1970,1972), son similares y todas estn
basadas en la solucin de contracciones rectangulares largas. La principal diferencia radica en
los radios de contraccin usados. Gill utiliza el radio de contraccin de todo el canal,
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mientras que Laursen utiliza una contraccin imaginaria con un radio de contraccin: (2.75ds
+ L) / 2.75ds
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Fuente: Anlisis de la socavacin en cauces naturales (2010)
1.4.HEC-RAS
HEC-RAS es un programa el cual fue diseado de manera que por medio de la
elaboracin de modelos, se pueda realizar clculos hidrulicos en una dimensin con
rgimen permanente para una red completa de cauces abiertos, canales, ros ya sean
naturales o artificiales.
Este es un programa que fue desarrollado por el Centro de Ingeniera Hidrolgica
(Hydrologic Engineering Center) del Cuerpo de Ingenieros de la armada de los EE.UU
(US Army Corps of Engineering) , para determinar el fluido de los ros y puertos que
estaban bajo su jurisdiccin.
Las siglas HEC - RAS significan Hydrologic Engineering Center River Analysis
System. Este programa fue desarrollado para ayudar a los ingenieros hidrulicos, para
anlisis de caudal, tirante hidraulico en cualquier seccin del rio y determinacin de
planicie de inundacin.
El programa de computador HEC-RAS permite realizar la hidrulica en la zona del
puente y hacer clculos de profundidades de socavacin local en pilas y en estribos
usando las ecuaciones recomendadas en HEC-18, 2001
Este programa HEC-6 podra usarse complementariamente para evaluar cambios a largo
plazo en ros en asocio con el programa HEC-RAS para los clculos de socavacin en el
puente propiamente dichos.
4.3.3DEF INI CIN DE TRMINOS
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Rio, sistema de canales naturales (curso de agua) por medio de los cuales se descarga el agua
de la cuenca.
Seccin estable de rio,permite controlar el tirante de la mxima avenida, con una seccin
estable se puede controlar el desplazamiento del lecho del ro, para que tenga al flujo central
en una caja inferior y con su misma energa.
Socavacin,es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida
debida al efecto hidrulico de un estrechamiento de la seccin; la degradacin del fondo del
ro del cauce se detiene cuando se alcanzan nuevas condiciones de equilibrio por disminucin
de la velocidad, a causa del aumento de la seccin transversal debido al proceso de erosin.
Sedimento, En hidrulica fluvial, entendemos por sedimento cualquier material, ms pesado
que el agua, que es transportado en cualquier momento por la corriente y luego depositado.
La palabra sedimento se aplica tanto a una enorme roca, como a una fina partcula de arcilla.
Cauce:concavidad por donde corren las aguas de los ros, arroyos, riego u otros usos.
Caudal: volumen de agua por unidad de tiempo.
Tirante, es la distancia vertical del punto ms bajo de la seccin del canal a la superficie
libre.
ANEXOS
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