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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

REDUCCIÓN DE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS CIRCULARES MEDIANTE EL USO DE RUGOSIDADES

ARTIFICIALES

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

PRESENTAN:

JIMÉNEZ PÉREZ FERNANDO GUADALUPE ROLDÁN HERRERA MARÍA DOLORES

URIBE CHÁVEZ DAISY YESSICA

MÉXICO 2006

“Reducción de la socavación local en pilas circulares mediante

el uso de rugosidades artificiales”

Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS

Al M. C. Robie Bonilla Gris por ser quien nos permitió dar seguimiento a esta

investigación y utilizarlo como tema de tesis. Así mismo por el apoyo brindado durante

el desarrollo del tema.

Al M. C. Lucio Fragoso Sandoval por su apoyo y dirección de esta tesis.

Al M. C. Roberto Ruiz Surbia y Flores por el apoyo brindado.

A la Lic. Martha Elena Marroquín Segura por la amistad y apoyo brindado durante

nuestra estancia en la escuela así como por su valiosa colaboración en el presente

trabajo.

A todos los profesores y personal del laboratorio de ingeniería hidráulica de ESIA

Zacatenco por la colaboración prestada.



Dedicatoria

DEDICATORIA

Dedico este trabajo que significa la culminación exitosa de mi carrera profesional a mis

padres, hermanas e hijos por todo el apoyo y cariño que siempre me han dado, a mis

dos compañeras y amigas que siempre me impulsaron a seguir adelante, a la persona

que me enseño a ver la vida de una forma muy distinta y que me ha hecho muy feliz, a

mis familiares, amigos, compañeros de escuela y de trabajo, a mis profesores, a todos

ellos que nunca me retiraron el apoyo a pesar de mis grandes errores, les agradezco

sinceramente.

Fernando Guadalupe Jiménez Pérez A mis padres y hermanos que con su apoyo he logrado mis metas, y han sido parte de

mis triunfos y fracasos, a mis amigos y compañeros de escuela que formaron parte

importante a lo largo de este recorrido. A cada uno de mis profesores que comparten

su sabiduría día con día en las aulas de la ESIA. Y sobre todo gracias al creador que

me permitió seguir en este camino.

María Dolores Roldán Herrera

Hoy he concluido una etapa más de mi vida en la cual encontré compañeros y

profesores que con su paciencia, su labor docente y su calidez humana, me ayudaron

a sobresalir.

El presente trabajo esta dedicado a todas aquellas personas que con su cariño,

paciencia y compresión me impulsaron a seguir adelante, también a los protagonistas

de este proyecto que me permitieron crecer.

Daisy Yessica Uribe Chávez



Índice 1

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………… 3 I. CONCEPTUALIZACIÓN Y GENERALIDADES …………………………… 4 I.1. Definición de socavación ………………………………………………… 6 I.2 Tipos de socavación ………………………………………………………. 7 II. OBJETIVOS ………………………………………………………………….. 9 III. JUSTIFICACIÓN …………………………………………………………..... 10 IV. CASOS HISTÓRICOS DE PUENTES QUE FALLARON POR

SOCAVACIÓN ……………………………………………………………... 12 IV.1. Casos en el extranjero …………………………………………………. 13 IV.2. Casos en México ………………………………………………………... 15 V. PROBLEMÁTICA Y PARÁMETROS DE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS DE PUENTES ……………………………………………………….. 22 VI. MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN 27 VI.1. Socavación general ……………………………………………………… 27 VI.2. Socavación local …………………………………………………………. 45 VII. MECÁNICA DEL FENÓMENO DE SOCAVACIÓN ……………………. 62 VII.1. Hidrodinámica del fenómeno de socavación …………………….... 62 VII.1.1. Tipos de flujo …………………………………………………... 62 VII.1.2. Capa límite ……………………………………………………… 63 VII.2. Transporte de sedimentos ……………………………………………. 72



Índice 2

VIII. HIPÓTESIS …………………………………………………………………. 74 IX. EXPERIMENTACIÓN ……………………………………………………….. 75 IX.1. Velocidad de inicio del movimiento de la partícula ………………... 75 IX.2. Socavación local al pie de la pila con diferentes rugosidades ….. 85 X. ANÁLISIS Y RESULTADOS………………………………………………… 101 X.1. Rugosidades propuestas ……………………………………………….. 101 X.2. Análisis y observaciones de los ensayos ……………………………. 109 XI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES …………………………….. 118 BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………….. 119 ANEXOS ………………………………………………………………………….. 123 GLOSARIO ………………………………………………………………………. 152



Introducción

3

INTRODUCCIÓN

La necesidad de tener vías de comunicación ha llevado al hombre a trabajar en la

evolución de los puentes, a partir de la caída de un árbol sobre una depresión natural,

hasta los grandes puentes construidos hoy en día, que abarcan grandes claros y que

requieren de apoyos y cimentaciones capaces de soportarlos. Algunos de estos

apoyos quedan dentro del cauce de la corriente, convirtiéndose en un obstáculo para

ésta y muchas veces no pueden ser desplantados sobre el manto rocoso, por lo que al

pie de éstos se genera una socavación provocada por los cambios en las condiciones

del flujo y el tipo del suelo.

La socavación se divide principalmente en dos tipos: socavación general, que se

presenta cuando hay un movimiento de partículas de suelo en todo el lecho del cauce;

y socavación local, que es la que se presenta solamente al pie del obstáculo, la cual

es motivo de estudio de este trabajo.

Para calcular la socavación, se han desarrollado varios métodos por diversos

investigadores, tanto para la general como para la local, principalmente en suelos

friccionantes.

Muchas veces se subestima la socavación en el cálculo de los puentes y al llegar las

avenidas, ésta se presenta provocando importantes fallas geotécnicas en la

cimentación y por consiguiente en la estructura de los puentes, fallando muchos de

ellos a causa de este fenómeno en todo el mundo.

Tomando en cuenta lo antes mencionado, se considera importante encontrar la

manera de reducir el fenómeno de socavación.

El objetivo de estudio del presente trabajo es demostrar que la socavación local al pie

de las pila puede ser menor, a través de pruebas en un modelo de físico reducido,

utilizando rugosidades artificiales en pilas de sección circular, con un rango correcto

del número de Reynolds, que no ha sido considerado en trabajos anteriores.



Capítulo I

4

CAPÍTULO I

CONCEPTUALIZACIÓN Y GENERALIDADES

De las obras de ingeniería civil, los puentes y las presas son las que transmiten

mayores cargas al terreno. En los puentes, regularmente las distancias entre los

apoyos son grandes y el peso de los elementos de la estructura es importante, así

como las cargas que produce el tránsito de vehículos; todas estas cargas son

transmitidas al terreno por medio de apoyos y pilares, que muchas veces son

construidos en suelos blandos, en las márgenes y en el cauce de ríos, en el mar, en

embalses, etc.

Por consiguiente, se requiere de cimentaciones grandes y pesadas, lo que ha llevado

a los ingenieros a desarrollar toda una metodología fundamentada en marcos teóricos

y experimentales, por lo que han evolucionado notablemente los aspectos de estudios

previos, así como el diseño geotécnico y estructural, los procedimientos constructivos,

todo esto con el fin de lograr que cumplan con la vida útil y económica calculada.

Entre los factores técnicos que han influido en la evolución de las cimentaciones para

puentes en México, se encuentran principalmente:1

• Diseño y fabricación de equipos y materiales de construcción más eficientes y

versátiles, así como los sistemas, normas y controles para asegurar su calidad.

• Investigación teórica y experimental de los fenómenos a considerar en el

diseño geotécnico (capacidad de carga, asentamientos, interacción suelo-

estructura, socavación, entre otros).

• Sistematización de los procesos constructivos.

• Estudio de casos de fallas (geotécnicas, estructurales y por socavación).

• Eventual ocurrencia de avenidas y socavaciones extraordinarias.

1 www.fundacion-ica.org.mx/EVOLUCION/5.pdf



Capítulo I

5

• Ocurrencia de impactos accidentales en la subestructura.

• Acciones que se transmiten desde la superestructura y desde el suelo de

apoyo (viento y sismo).

La ingeniería forense relativa a los puentes que han fallado en México, ha

establecido que las causas más importantes y frecuentes son:2

• Socavación.

• Erosión.

• Degradación del cauce.

• Asentamientos diferenciales.

• Impacto de cuerpos pesados.

• Sismo.

• Drenaje deficiente.

• Cargas móviles excesivas.

• Juntas de dilatación rígidas.

• Corrosión.

• Materiales que no cumplen las normas de proyecto.

• Errores humanos en el proyecto o en la construcción.

• Falta de inspección y mantenimientos oportunos.

Una corriente de agua tiene una cierta capacidad de mover partículas sólidas del lecho

sobre el que fluye, lo que produce una socavación normal en el lecho; este fenómeno

depende de varios factores tales como las características del cauce y de la corriente.

Al colocar la pila de un puente en un cauce, ésta se convierte en un obstáculo para la

corriente, modificando localmente las condiciones hidráulicas, lo que cambia la

capacidad de arrastre en la zona. Si dicha capacidad es mayor que la que tenía la

corriente se producirá una socavación adicional a la normal; si es menor que la

transportada por el flujo, se forma un depósito, y en caso de que sean iguales se

2 Op.cit. www.fundacion-ica



Capítulo I

6

presenta una socavación fluctuante, esto es que se produce una erosión momentánea,

y ésta se rellena inmediatamente con el sedimento que aporta el flujo.

Es importante conocer la profundidad a la que puede llegar la socavación total, ya que

es de relevante importancia para diseñar la cimentación de los puentes, porque

muchas veces han quedado por arriba de dicha profundidad. Además de tomar en

cuenta la socavación adicional, provocada por el obstáculo que representa la pila.

La determinación de la capacidad de socavación normal de una corriente es uno de

los problemas más difíciles de la ingeniería civil, puesto que la que se produce durante

una avenida se rellena al terminar la misma, no dejando huellas aparentes. Sin

embargo, durante este proceso la cimentación de un puente puede quedar sin apoyo,

lo que no se puede observar a simple vista porque el foso socavado fue rellenado por

los sedimentos transportados por la corriente.

Se han llevado a cabo algunos intentos por encontrar soluciones teóricas al problema,

las cuales presentan un alto grado de incertidumbre, debido al gran número de

parámetros que intervienen en el fenómeno.

La fuente más importante de datos es la que proviene de los análisis de corrientes

reales y de experimentos realizados con modelos físicos reducidos, ya que han

producido resultados muy satisfactorios.

I.1. DEFINICIÓN DE SOCAVACIÓN

Una corriente natural de agua socava y transporta partículas de material del lecho del

cauce, lo cual da como resultado el fenómeno de socavación que ocurre con una

intensidad que depende de las características del flujo y del tipo de material del lecho,

ya que cuando éste se compone por materiales friccionantes, son rápidamente

erosionados por el flujo, en tanto que los suelos cohesivos son más resistentes a la

erosión, pero se puede presentar en ellos una socavación tan profunda como en los

friccionantes.

La socavación se genera cuando la cantidad de material del lecho que es transportada

por el flujo en la zona que se encuentra alrededor de las pilas y los estribos, es mayor

que la cantidad de material que está siendo transportado de aguas arriba.



Capítulo I

7

I.2. TIPOS DE SOCAVACIÓN Debido a que el fenómeno de socavación depende de muchos factores y condiciones,

ésta se presenta de varias maneras, por lo que a través del tiempo diversos

investigadores han hecho la siguiente clasificación:

Socavación de lecho vivo Se produce cuando existe un arrastre de material del lecho desde aguas arriba hasta

el sitio donde cruza la estructura a la corriente.

Socavación de agua clara Se genera cuando no existe arrastre de material de fondo en el flujo aguas arriba.

Socavación normal o general Cuando se presenta una avenida aumenta la capacidad de arrastre de material sólido

de una corriente, debido al aumento de velocidad, produciéndose un descenso en el

fondo del cauce; a esto se le conoce como socavación normal o general, la cual

disminuye para una misma velocidad que las condiciones anteriores, cuando el agua

lleva en suspensión una gran cantidad de partículas finas (limos y arcillas) que

aumentan el peso específico y la viscosidad del agua, reduciendo su grado de

turbulencia.

Socavación en estrechamientos

Esta es consecuencia del aumento de la capacidad de arrastre de sólidos en la

corriente, cuando al presentarse una reducción considerable en el área hidráulica

aumenta su velocidad.

Socavación en curvas Al existir una curva en una corriente, las franjas líquidas situadas en la parte exterior

del radio de curvatura tienen una mayor velocidad que las situadas en el interior, lo

que tiene como consecuencia que tengan una superior capacidad de arrastrar sólidos,

por lo que la erosión es mayor en la parte exterior de la curva que en la interior.



Capítulo I

8

Socavación en márgenes Es la socavación que se produce en las márgenes del río al presentarse una avenida,

cuando están formadas por materiales sueltos.

Socavación local en pilas La colocación de una pila de puente en una corriente la convierte en un obstáculo para

el flujo, cambiando las condiciones hidráulicas de la sección y por lo tanto alterando la

capacidad para arrastrar sólidos; si esta capacidad supera localmente el aporte de

sólidos de aguas arriba, ocurrirá la socavación local al pie de la pila.

Socavación local en estribos

Este tipo de socavación es semejante al que se presenta en las pilas, excepto por el

tamaño del cuerpo inmerso en el agua que es menor; la diferencia principal entre ellos

es la desaceleración del flujo en la frontera formada por la pared del estribo.



Capítulo II

9

CAPÍTULO II

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

• Reducir el fenómeno de socavación local al pie de una pila de puente, por

medio de estudios experimentales en un modelo hidráulico físico reducido, con

la finalidad de que posteriormente se pueda aplicar en un caso real.

OBJETIVOS PARTICULARES

• Observar la relación que existe entre la separación de la capa límite alrededor

de una pila circular, la generación de los vórtices de Von Karman y el tamaño

del foso de socavación, mediante el uso de diferentes rugosidades artificiales.

• Disipar la energía del flujo que es desviado hacia el fondo del cauce, para

reducir el volumen de material socavado.

• Comprobar si la mecánica de fluidos que rige a una pelota de golf, es aplicable

para la pila de un puente con una rugosidad similar a esta, cuando la pila esta

ubicada dentro de una corriente.



Capítulo III

10

CAPÍTULO III

JUSTIFICACIÓN

De acuerdo con las experiencias en México y en el mundo, la falla geotécnica más

común y peligrosa de las cimentaciones de puentes que cruzan cauces fluviales de

lechos formados generalmente por material no cohesivo, se origina por subestimar en

el diseño el fenómeno de socavación, siendo el más común el de socavación local al

pie de pilas.

Se estima que en el futuro próximo las alteraciones en las condiciones meteorológicas

producto de la creciente contaminación atmosférica, así como de la tala excesiva y

creciente de las áreas verdes cercanas a las cuencas de los ríos, originarán que éstos

tengan mayor arrastre de objetos sólidos que incidirán significativamente en las

velocidades del agua, o bien, se tendrán mayores áreas hidráulicas no previstas, que

un momento dado elevarán el nivel de aguas máximo extraordinario (NAME) por arriba

del nivel calculado. Estas circunstancias podrían ser más frecuentes e incidir

significativamente en el comportamiento geotécnico de la cimentación de los puentes.

Se han llevado a cabo diversos estudios en el Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de

la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Profesional Lic. Adolfo López

Mateos del Instituto Politécnico Nacional, para solucionar el problema de socavación,

en los cuales se considero al número de Froude como el parámetro principal en el

fenómeno de socavación, y se puede considerar cierto, ya que el número de Froude

es proporcional a la velocidad del flujo y dependiendo de la magnitud de ésta, será la

capacidad de socavación de la corriente.

La idea principal que dio origen a esta investigación, es la observación de la forma de

la pelota de golf y al estudiar más a detalle la mecánica de fluidos con la que se

desplaza en el aire, se advierte que el número de Reynolds es el principal parámetro

que rige el movimiento de la pelota en el flujo, ya que al calcular el número de

Reynolds, que resulta de los diámetros de las pelotas de otros deportes entre las



Capítulo III

11

velocidades promedio a la que se desplazan, se observa que todas entran en un

mismo rango de valores de dicho número.

Por todo lo anterior y observando la capa exterior de dichas pelotas, mediante estudios

experimentales en un modelo hidráulico reducido, se analizo la relación que existe

entre el número de Reynolds, la forma de la capa exterior de la pila y el volumen de la

socavación local al pie de ésta.



Capítulo IV

12

CAPÍTULO IV

CASOS HISTÓRICOS DE PUENTES QUE FALLARON POR SOCAVACIÓN

El problema de socavación existe desde que se tuvo la necesidad de construir puentes

con apoyos dentro de una corriente. Si bien existen puentes en pie y algunos todavía

en servicio que datan desde la época del imperio romano y medieval en Europa, al

igual que algunos en México construidos durante el virreinato, esto es porque fueron

desplantados en roca sólida; sin embargo, la mayoría de los puentes de esta época

han desaparecido porque fueron cimentados en terrenos inestables.

Se deduce que el conocimiento del efecto de la socavación es de gran antigüedad, ya

que los romanos colocaban tajamares1 en los puentes que cruzaban ríos. Actualmente

la socavación es uno de los principales problemas por el cual fallan una gran cantidad

de puentes en el mundo.

Los estudios revelan algunas de las siguientes estadísticas en los Estados Unidos de

Norteamérica: durante las crecientes de 1987, 17 puentes de Nueva York y Nueva

Inglaterra fueron dañados o destruidos por los efectos de la socavación. En las

crecientes de 1985, 73 puentes fueron destruidos en Pensilvana, Virginia y Virginia del

Oeste. Las crecientes de 1993 en el bajo Mississippi causaron 23 fallas en puentes

provocando daños estimados en 15 millones de dólares. En 1994, la tormenta Alberto

causó daños en más de 150 puentes por aproximadamente 150 millones de dólares,

sólo en el estado de Georgia. El 84% de los 575,000 puentes existentes, según el

Nacional Bridge Inventary 1998, están construidos sobre corrientes de agua;

aproximadamente el 39% de éstos son susceptibles a los efectos de socavación y el

17% de los últimos necesitan ser monitoreados, reparados o protegidos, es decir, se

encuentran en situación crítica ante una avenida.2

1 Tajamar. En un puente, elementos generalmente en forma de quilla, adosados a las pilas para "romper" la corriente de agua. 2 Citado por Muñoz Vizuet David, “Revisión del diseño de pilas considerando el efecto de la socavación”, Tesina para Diplomado, México, 2002 p.p. 24 y 25.



Capítulo IV

13

En México lamentablemente no se cuentan con estadísticas reales del número de

puentes colapsados por socavación, pero se tiene conocimiento de que un buen

número de ellos han fallado por este fenómeno.

A continuación se presentan algunos casos estudiados de colapsos de puentes como

consecuencia de la socavación. Esta práctica no es muy común en el mundo, ya que

los estudios resultan muy caros, pero principalmente por las presiones de los

gobiernos de poner en operación en el menor tiempo posible las carreteras después

del colapso de un puente.

IV.1. CASOS EN EL EXTRANJERO

Puentes gemelos sobre el río Sioux, cerca de la ciudad de Sioux, Iowa, E.U.A.

Dos puentes gemelos de 150 m de longitud de una autopista sobre el río Sioux fallaron

por socavación durante la creciente del primero de abril de 1962. La causa de la falla

se atribuyó al hecho de que el río Sioux inmediatamente aguas abajo del puente se

une al río Missouri, y la creciente de 1962 creció al primero pero no al segundo,

causando un gradiente hidráulico de aproximadamente 1.80 m y un aumento excesivo

de la velocidad. Los factores que contribuyeron a la falla fueron los siguientes:

• Las pilas no estaban orientadas en la dirección de la corriente, la cual incidía

con un ángulo entre 25 y 30 grados con respecto a su eje mayor en planta.

Este grave defecto, que reducía considerablemente el área hidráulica bajo el

puente, se originó debido a que en diseño se consideraba emplear una

canalización, la cual finalmente no se realizó.

• El gasto del diseño original se estimó en 1190 m3/s; durante la avenida, el

gasto real fue de 1530 m3/s.

La reconstrucción se realizó empleando claros mayores para aumentar el área

hidráulica bajo el puente; también se emplearon cimientos más profundos y pilas de

sección circular para las cuales es indiferente el ángulo de incidencia de la corriente.

El gasto de diseño en esta ocasión se estimó en 2294 m3/s; y durante la creciente del

9 de abril de 1969 el gasto real fue muy cercano a los 2200 m3/s y el puente no sufrió

daño alguno.



Capítulo IV

14

Puente sobre el río John Day, Oregon, E.U.A. Este puente tenía un claro principal de 60 m librado por una armadura simplemente

apoyada. Las pilas bajo este claro debían cimentarse sobre roca. Durante la

construcción se tuvieron grandes dificultades para excavar un conglomerado de

gravas cementadas por encima del desplante de proyecto. Este conglomerado tenía

una apariencia similar a la del concreto. En obra, se tomó la decisión de desplantar las

pilas sobre zapatas en el conglomerado y suspender la excavación antes de llegar a la

roca. Esta decisión estuvo en parte fundamentada en que al mismo tiempo se

construía una presa aguas abajo y que el puente quedaría localizado dentro del vaso

de la presa, lo que reduciría el problema de socavación al mínimo, una vez que el vaso

se llenara.

El puente se concluyó en septiembre de 1963 y se esperaba que la presa fuera

terminada tres años después. Pero al año de terminado el puente, el río tuvo una

avenida extraordinaria antes de que se concluyera la presa. El material que parecía

concreto fue susceptible a la socavación y el puente se colapsó.

Posteriormente el puente fue reconstruido como se especificaba en el proyecto

original, es decir, la cimentación fue sobre roca y el costo de reconstrucción fue

altísimo.

Puente sobre el río Pearl, Louisiana, E.U.A. Durante la creciente de 1983 (6370 m3/s) el asentamiento de una de sus pilas fue

aproximadamente medio pie (15 cm), como consecuencia de la socavación local,

dejando sin apoyo una parte del desplante. Como causa de este problema se identificó

el hecho de que para proteger las pilas de los golpes de barcos, se colocaron

defensas del lado aguas arriba. Estas defensas acumularon objetos y materiales

arrastrados por el río, reduciendo el área hidráulica disponible y por lo tanto

incrementando la velocidad y la socavación local.

El puente se reparó apoyando la superestructura en caballetes provisionales y

perforando la losa de calzada para hincar pilotes adicionales más profundos. Se

hicieron estudios en modelos bidimensionales para determinar el efecto de las



Capítulo IV

15

defensas y el de posibles puentes auxiliares en la llanura de inundación, los que, de

acuerdo con los resultados de estudios, se determinaron innecesarias.

Río Homochito, Rosetta, Mississippi, E.U.A.

En este río se realizaron obras de canalización para rectificar su cauce, cortando

meandros, de tal modo que un tramo del río con longitud original de 20 millas (unos 30

km.) quedó reducido a 9 millas (unos 14 km.). El río respondió degradando su cauce

hasta 19 pies (unos 6 m.) bajo el nivel original. En un punto sobre el río sobre material

arcilloso, que era de una corriente lenta de 96 pies de ancho (unos 30 m) se

transformó en un canal sobre arena de 328 pies (unos 100 m.) de ancho. Esto trajo

como consecuencia grandes daños en las carreteras que cruzaban el río y sus

tributarios y por lo tanto, grandes gastos de conservación (10 millones de dólares). En

1974 uno de los puentes que cruzaban el río se colapsó y tuvo que ser reemplazado

por un puente mucho más largo para tomar en cuenta los efectos de degradación y

divagación del cauce.

IV.2 CASOS EN MÉXICO En México se han construido puentes sin hacer todos los estudios necesarios e incluso

sin ser proyectados, debido a que estos gastos fueron considerados innecesarios por

tratarse de obras menores, lo que trae como consecuencia que las cimentaciones de

estas estructuras sean vulnerables al efecto de socavación. Aunque también los

puentes planeados, proyectados y construidos debidamente son susceptibles a fallar

por dicho efecto.

Estos casos representan pérdidas económicas para el país, y debido a la gran

cantidad que existe, compensarían de sobra el costo de los estudios necesarios para

mejorar los conocimientos sobre el problema, que disminuirían en un gran porcentaje

el número de fallas a causa de este fenómeno.

A continuación se presentan algunos casos de puentes, de los cuales se tiene

información necesaria para determinar que fallaron por socavación.



Capítulo IV

16

Puente Teapa, Tabasco

El Puente Teapa permitía el paso simultáneo del ferrocarril del Sureste y de la

carretera Teapa-Villahermosa; la estructura estaba formada por una armadura

metálica de 80 m de claro apoyada en dos estribos. Cabe señalar que

aproximadamente 30 años atrás el puente había estado formado por tres claros de

aproximadamente 27 m. cada uno, con dos pilas en el cauce. Sin embargo, una

creciente extraordinaria provocó en esa época el colapso en esas dos pilas, dejando

en pie los estribos, los que fueron aprovechados en la reconstrucción para apoyar la

armadura ya descrita. La creciente que causó el segundo colapso socavó uno de los

estribos provocando el derrumbe de la superestructura. Aguas arriba del cauce, una

de las márgenes del río presenta una nariz rocosa que desvía la corriente de aguas

máximas y la dirige con una inclinación desfavorable contra el estribo que falló.

La reconstrucción de este puente se efectúo con una cimentación profunda de

cilindros, además se le recortó la nariz en la margen mencionada, a fin de que la

corriente incidiera normalmente al puente en toda su longitud.

Este caso nos muestra la complejidad de la socavación, que se ve afectada por

accidentes topográficos en los márgenes de carácter muy particular para cada cruce.

Puente sobre el río Papaloapan, Alvarado, Veracruz

Aguas arriba del cruce se encuentra la Laguna de Alvarado y aguas abajo la

desembocadura en la que normalmente se forma una barra. El puente de 500 m. de

longitud está desplantado en una arena arcillosa muy compacta, a 30 m bajo el fondo

del cauce, por medio de cilindros. Hace años, una creciente del río Papaloapan inundó

las poblaciones ribereñas al desbordarse el cauce. Con objeto de mitigar los daños se

decidió volar la barra para provocar un rápido desalojo de las aguas. La voladura

ocasionó un inusitado aumento de la velocidad del agua bajo el puente y por lo tanto

una de las pilas empezó a vibrar notoriamente, es decir, el puente perdía estabilidad

debido a la socavación.

Lo anterior ilustra que la modificación brusca del régimen hidráulico puede ocasionar el

colapso de un puente, aún estando apoyado sobre cimientos profundos.



Capítulo IV

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Puentes Cuates, Playa Azul, Michoacán

En Septiembre de 1984, un temporal de lluvias extraordinarias ocasionó crecientes en

ríos de la región del sur del estado de Michoacán, las que a su vez provocaron la falla

de varias estructuras en las carreteras de Cuatro Caminos-Playa Azul y Cuatro

Caminos-La Huacana. Especial interés reviste la falla de los llamados “Puentes

Cuates”, a poca distancia de la confluencia del río Cupuanicillo con el río

Tepalcaltepec.

El primer puente, formado inicialmente por tres tramos, sufrió el derrumbe de una pila,

el desplome de un estribo y la caída de dos tramos; en el segundo, sólo se desplomó

el alero aguas arriba del estribo en la margen izquierda, pero la corriente cortó un

tramo importante de terraplén. Es interesante mencionar que los daños de 1984

representaron la segunda ocasión en que los puentes resultaban dañados por la

socavación, ya que anteriormente habían sido parcialmente destruidos en 1975. La

reconstrucción posterior a esta primera creciente se realizó con cajones de

cimentación de sección rectangular que tuvieron muchos problemas para hincarse a

través de boleos, por lo que se dejaron por arriba de la cota de proyecto y se

rigidizaron con colados masivos periféricos.

Las fallas recurrentes en estos puentes pueden quizá explicarse porque se alojan en

un gran cauce único del río Cupuanicillo, el cual escurre la mayor parte del tiempo en

forma divagante en ese cauce de gran amplitud. La longitud sumada de ambos

puentes es una fracción menor que el ancho del cauce. Las divagaciones del río

erosionan los terraplenes del camino al intentar el río pasar por donde no había

puente. Para terminar con este problema se encauzó la corriente mediante bordos

aguas arriba del camino, para inducir al río a reconocer los puentes. El problema se

agrava porque además el río tiene una fuerte pendiente en el cruce.

Puente Baridaguato, Sinaloa

Falló por socavación a dos años de haber sido construido. El puente estaba formado

por cinco tramos continuos, apoyados en dos estribos y cuatro pilas sobre cilindros.

Los cilindros no pudieron hincarse hasta el desplante previsto en el proyecto, porque

durante el descenso tropezaron con boleos de gran tamaño. En obra se estimó que

estos boleos ya no podrían ser arrastrados por la corriente y por ello se suspendió el



Capítulo IV

18

hincado. Se emplearon explosivos para ablandar el terreno de desplante, enderezarlos

y profundizarlos más. Los resultados fueron negativos.

La creciente del 8 de octubre de 1981 ocasionó el incremento del tirante del río en

varios metros en muy pocos minutos. El nivel del agua máximas rebasó en 1.10 m. la

altura de la rasante. Árboles con troncos de 2 m. de diámetro formaron una planta de

lado de aguas arriba, esto incrementó el empuje del agua. El puente falló al socavarse

los cilindros 3, 4 y 5 y el estribo 6; el estribo 1 perdió el alero aguas abajo y el cilindro

2 quedó en su posición original, con la pila degollada en su base y derrumbada. La

estructura fue arrastrada en su totalidad por la corriente. Una losa se encontró a cien

metros aguas abajo del cruce.

Puente Juquiaqui, Guerrero

El puente está ubicado en el km 101+560 de la carretera Acapulco-Zihuatanejo en el

estado de Guerrero; fue construido originalmente en el año de 1965. Por problemas de

azolve se elevó la rasante en el año de 1971. En el año de 1996, durante las

crecientes originadas por el huracán “Boris”, una pila falló, lo que provocó la caída de

un tramo de la superestructura.

El puente estaba formado por tres claros simplemente apoyados de 15m cada uno. La

superestructura se formó con una losa soportada por tres nervaduras de concreto

preesforzado y la subestructura por estribos de concreto ciclópeo y mampostería con

dos pilas centrales del mismo material, éstas tenían 6.5 grados con respecto a la

dirección de la corriente. El ancho de la calzada era de 9.40 m., para dos carriles de

circulación.

A continuación, se muestran fotografías de algunos puentes que han fallado por

socavación:3

3 www.fundacion-ica.org.mx/EVOLUCION/5.pdf



Capítulo IV

19

Puente “Bóveda”. Aspecto de la forma en que quedó la obra, visto desde el lado de Iguala. Carretera Iguala-Ciudad Altamirano, Gro.

Puente km 1728+657 Deslave debido a flujo de agua, visto desde la margen derecha del arroyo. Acceso del lado de Nogales, Sonora



Capítulo IV

20

Puente “Masiaca Auxiliar”.Aspecto del vado al iniciarse la creciente del 9 de agosto, donde se observa un trailer volcado por la fuerza de la corriente

Puente km 1726+429, Estado en que quedaron los tramos 2-3 y3-4 durante la creciente del 9 de agosto de 1972. Carretera costera del Pacífico, tramo Los Mochis-Navojoa,

Sonora



Capítulo IV

21

Puente “Nazas Tasajillo”, Durango. Aspecto general de los cilindros



Capítulo V

22

CAPÍTULO V

PROBLEMÁTICA Y PARÁMETROS DE LA SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS DE PUENTES

Cuando existe la necesidad de construir un puente que cruce una corriente natural de

agua, donde no sea posible desplantar las pilas en un manto rocoso, existirá siempre

la problemática de conocer la capacidad local de erosión de la corriente, ya que ésta

puede llegar a tener tal magnitud que alcance la cimentación de las pilas y se origine

una falla en la estructura.

Por todo lo anterior, es de gran importancia conocer este efecto en el diseño de

cimentaciones poco profundas, puesto que una falla de juicio puede conllevar a la

destrucción total de la estructura ó a que se adopten profundidades excesivas que son

antieconómicas y complicadas para los procedimientos constructivos.

Los estudios realizados hasta la fecha permiten decidir que los parámetros que, en

mayor o en menor grado, influyen en la socavación local al pie de pilas de puentes son

los que se mencionan a continuación:1

1. PARÁMETROS HIDRÁULICOS

• Velocidad media de la corriente

• Distribución de velocidades

• Dirección de la corriente respecto al eje de la pila en planta

2. PARÁMETROS DEL FONDO

• Distribución granulométrica del material del fondo

• Forma de los granos

• Grado de cohesión o cementación

1 Juárez Badillo Eulalio y Rico Rodríguez Alfonso, Mecánica de Suelos, Flujo de Agua en Suelos, México, D. F., Grupo Noriega Editores, 1992, Tomo 3, p.p. 364 y 366.



Capítulo V

23

• Peso específico sumergido

• Estratificación del subsuelo

3. PARÁMETROS GEOMÉTRICOS DE LA PILA

• Ancho

• Relación largo- ancho

• Perfil de la sección horizontal

• Relación área obstruida por la pila-área hidráulica de la sección transversal

de la corriente

4. PARÁMETROS DE UBICACIÓN DEL PUENTE

• Contracción en la sección

• Forma del río en planta

• Obras de control de gasto que se haya construido aguas arriba o aguas

abajo

En las figuras V.1, V.2 y V.3 se presentan las diferentes etapas del proceso de

socavación:2

La socavación en pilas circulares se inicia en dos puntos localizados a 65º con

respecto al eje de la pila en dirección al flujo. Al aumentar la velocidad en el flujo, se

generan vórtices al frente de la pila denominados de herradura y éstos al conservarse

originan una socavación máxima. El material producto de dicha socavación es

arrastrado aguas abajo hacia una zona de depósito. Detrás de la pila circular se forma

una estela, en la cual se generan vórtices denominados de Von Kármán (se describe

en el Capítulo VII).

2 Juárez Badillo y Rico Rodríguez op. cit., p.p 365.



Capítulo V

24

Socavación en pilas rectangulares

CDFDerrumbes periodicos

Estado inicial de socavación. En una pila rectangular se inicia en las esquinas debido a dos vórtices de eje vertical que ahí se presentan

El talud en F correspondeal de reposo del material

b) Trayectorias posibles de las partículas

a) Líneas de corriente Trayectorias de las partículas

Vórtice de eje horizontal

Zonas de depósitosF

D

Estado avanzado de socavación

Cuando el fondo es planoy todavía no hay arrastre, se forman aguas abajo de la pila dos brazos simétricos deondulaciones, los cuales se han esquematizado en la fig, de la pilacircular.

Zonas de depósito

Líneas de corrientePosibles trayectoriasde las particulas del fondo

CF

F

F D

D

( ) Vórtices de eje vertical


Cuando la velocidad es fuerte estevórtice es más grande que el quese presenta en la esquina delantera

Lugar en que se produce la socavación máximaEn la zona D se juntan

las particulas que vienen de direcciones opuestas.Los granos ahí depositadosperiodicamente resbalan a C

1/3H

H

B

B


I

C

FD

ESPEJO UTILIZADO PARA OBSERVAR EL AVANCE DE LA EROSIÓN

Fig. V.1. Socavación en pilas rectangulares



Capítulo V

25

Socavación en pilas circulares

35°

D

D

D

F

H

I

Zona de depósito

socavaciónun cierto grado de Zona en que se tiene

Vórtices de eje verticalPosibles trayectorias de las partículasLíneas de corriente

Estado avanzado de socavación

extenderse hacia aguas abajoZona de depósito que puede

paralelos.se han formado, los dos brazos tienden a ser40°. Si la velocidad es muy bajo, una vez quelos cuales forman entre ellos un ángulo de 30 a abajo de la pila se forman dos brazos de rizos,Cuando todavia no hay arrastre, aguas

de la pilaque aparecen aguas abajoOndulaciones simétricas

la máxima socavaciónZona dende se localiza

inclinado que en DEl talud en F es menosde reposo del material. corresponde al taludLa inclinación en F

y socavadas del hoyo que aquí aparece. hacia los lados, hasta que son arrastradasC. Así, su movimiento es en zig - zagperiódicamente se precipitan sobrede C, se juntan en la zona D, de dondey caen de F y las que son levantadasLas partículas que resbalan

en suspensiónGran cantidad de material

hacia aguas abajoEsta zona se puede extender

Zonas de depósito

forma.mayor que para pilas de otraque es levantado es muchoLa cantidad de material sólido

CC

F

Vórtice de herradura

Vórtice de herradura

Todos los ensayes se realizaroncon pilas transparentes, y el procesoerosivo era observado desde arribacon ayuda de un espejo colocadoconvenientemente en su interior

Observación

Zona de depósito; a medida

que aumenta la velocidad o el

tiempo, se pueden correr hacia

aguas abajo hasta juntarse

=65°=65°

y

x

Estado inicial de socavación

Se inicia en dos puntos colocados aproximadamentea 65° a cada lado respecto a la dirección del flujo(eje x). Los vórtices (herradura) que ahí se presentan, se conservan hasta obtener la erosión máxima

Fig. V.2. Socavación en pilas circulares



Capítulo V

26

Etapas del proceso erosivo

65°

65°

65°

65°

La máxima socavación sepresenta en la esquina C yes bastante mayor que en el frente de la pila alineada

Se cumple lo anotado para la pila rectangular

La socavación se inicia en dos zonasa = 65° a cada lado del eje longitudinal

Eje de la pila

Eje de la pila

Aquí se presenta una zona,con corrientes ascendentescargadas de materialen suspensión

Se alcanza la misma profundiad en toda la zona entre los = 65°medidas a cada lado del eje

La socavación se inicia en dos zonas o=65° a cada lado del eje

V = Vc

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Arrastre

Zona noerosionada

La máxima socavación sepresenta en la esquina C yes bastante mayor que en el frente de la pila alineada

Dirección de la corriente

ArrastreLa profundidad de la erosiónpuede ser igual en los dos casos

La profundad puede ser menorque para la pila alineada

Para iguales condiciones, la erosión se inicia primero en la pila alineada

Zona de depósitoZona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de dep.

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de depósito

Zona de dep.Zona de depósito

Zona de depósito

la socavación se iniciaen las esquinas

condición mínima

CONDICIÓN CERCANA AL MÁXIMOCONDICIÓN INTERMEDIA

DC

B

A

DC

BA

DC

BA

D

C

B

A

D

C

B

A

C

D

B

cC

A

AAE

E

FORMA DE INICIARSELA SOCAVACIÓN

Fig. V.3. Etapas del proceso de socavación



Capítulo V I

27

CAPÍTULO VI

MÉTODOS DE CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN

La determinación de la profundidad de socavación es uno de los problemas más

complejos en los estudios previos a la construcción de un puente.

La socavación es provocada por el incremento en la velocidad de la corriente, que

genera la extracción de material al pie de la pila, conllevando muchas veces al colapso

de ésta por la desestabilización de su cimentación. Existen métodos para calcular

dicha profundidad, a los que el ingeniero puede recurrir frecuentemente para hacer un

cálculo rápido y sencillo. Estos criterios están basados en las especulaciones, en

estudios realizados en laboratorio y mediante el análisis de resultados de

observaciones en campo.

Cabe destacar que para la determinación de la socavación general y local, existen

diferentes métodos, los cuales se describen a continuación:

VI.1 SOCAVACIÓN GENERAL Método de Lischtvan-Lebediev Este método se basa en el criterio siguiente: Al presentarse una avenida aumenta la

velocidad del agua, dicho aumento trae consigo un incremento en la capacidad de

arrastre de las partículas del fondo del cauce, provocando un aumento en la

profundidad de socavación, hasta que se llega a la socavación máxima de equilibrio al

ocurrir el gasto máximo; al disminuir la avenida se reduce paulatinamente el valor

medio de la velocidad de la corriente y por ende el de la capacidad de arrastre,

iniciándose la etapa de depósito. Este método se basa en la obtención de la condición



Capítulo V I

28

de equilibrio entre la velocidad media del flujo y la velocidad media necesaria para

erosionar el material del fondo del cauce (fig. VI.1).1

PRESENCIA DE UNA AUMENTO DE LA INICIO DE LA AVENIDA VELOCIDAD Y DE LA DEGRADACIÓN DEL CAPACIDAD DE FONDO 1 ARRASTRE AUMENTO DEL GASTO PRESENCIA DEL GASTO LA AVENIDA DISMINUYE

1 INCREMENTO DE LA MÁXIMO LA POTENCIA EROSIVA SOCAVACIÓN SOCAVACIÓN MÁXIMA BAJA

INICIA LA ETAPA DE DEPÓSITO

Fig. VI.1. Proceso de socavación general

Para determinar la socavación general es necesario conocer los siguientes datos:

Sección transversal del cauce. Se obtiene mediante un levantamiento

topográfico y es recomendable realizarlo en época de estiaje.

Características físicas del fondo inicial y de los diferentes estratos debajo de

este, que pueden llegar a ser descubiertos durante el paso de una avenida.

Gasto del cauce. Este siempre está asociado a un período de retorno.

Además de tomar en cuenta las siguientes hipótesis para su correcta aplicación.

a) El gasto permanece constante durante el proceso erosivo para cada franja

escogida en la sección.

b) El gasto en las márgenes es nulo, por lo tanto, aplicar el método no es posible

en estos puntos.

c) La teoría no toma en cuenta el tiempo necesario para que cada material sea

erosionado. Para el caso de suelos granulares la erosión es rápida y el método

resulta adecuado. En el caso de suelos cohesivos la erosión es lenta y el

1 Muñoz Vizuet David, Revisión del Diseño de Pilas considerando el efecto de la Socavación, UNAM, Tesina, México, 2002, p.p. 35.



Capítulo V I

29

tiempo que tomaría erosionar la zona de un cierto material calculado en

ocasiones es mayor al tiempo que dura la avenida.

d) La rugosidad del fondo del cauce es uniforme.

Para la aplicación de esta metodología es necesario clasificar el tipo de suelo que

existe en el cauce, como se observa en la tabla VI.1. 2

Tabla VI.1.

CAUCE MATERIAL DEL FONDO

DISTRIBUCIÓN DEL MATERIAL DEL

LECHO Definido Cohesivo Homogénea Definido Cohesivo Heterogénea Definido No cohesivo Homogénea Definido No cohesivo Heterogénea

Indefinido Cohesivo Homogénea Indefinido Cohesivo Heterogénea Indefinido No cohesivo Homogénea Indefinido No cohesivo Heterogénea

De acuerdo con la tabla VI.1, en la distribución de materiales del fondo existen dos

condiciones: homogénea y heterogénea. La distribución de condición homogénea

existe cuando la erosión se produce en un mismo y único material (es decir, en un solo

estrato), mientras que la heterogénea ocurre cuando el proceso erosivo descubre dos

o más capas de material distinto (dos o más estratos). El material cohesivo está

constituido por limos o arcillas principalmente, mientras que el no cohesivo lo

constituyen suelos arenosos. Cuando un cauce es indefinido la corriente siempre

tiende a escurrir por varios lugares, por ejemplo aquellos ríos donde se tienen varias

corrientes pequeñas que se entrecruzan y en donde esas corrientes cambian de

posición.

2 Juárez Badillo Eulalio y Rico Rodríguez Alfonso, Mecánica de Suelos, Flujo de Agua en Suelos, México, D. F., Grupo Noriega Editores, 1992, Tomo 3, p.p. 366.



Capítulo V I

30

a) Socavación general en cauces definidos con suelos cohesivos y distribución

homogénea

La magnitud de la socavación en suelos limosos plásticos y arcillosos depende

principalmente del peso volumétrico del suelo seco dγ . En este caso, el valor de la

velocidad erosiva, que es la velocidad media que se requiere para degradar el fondo,

está dada por la siguiente expresión:

xs

18.1de H60.0V βγ= (VI.1)

donde: dγ peso volumétrico del material seco que se encuentre a la

profundidad en que se desea conocer la socavación.

β coeficiente que depende de la frecuencia con que se repita la

avenida en estudio. Tabla VI.2.3 x exponente variable, función del peso volumétrico del material

seco ( )dγ , según la Tabla VI.3.4

Hs tirante considerado, a cuya profundidad se desea conocer qué

valor de Ve se requiere para arrastrar y levantar el material.

Tabla VI.2.

Probabilidad anual (en %)

de que se presente la avenida de

diseño

Coeficiente

β

100 50 20 10 5 2 1

0.3 0.2 0.1

0.77 0.88 0.86 0.90 0.94 0.97 1.00 1.03 1.05 1.07

3 Op. cit., Juárez-Rico, pp.369 4 Ibidem, Juárez Rico



Capítulo V I

31

Tabla VI.3. Valores de x y (1/1 + x) para suelos Cohesivos y No Cohesivos

Suelos cohesivos Suelos no cohesivos

dγ Ton/m3 x

x+11 dγ

Ton/m3 x

x+11 dγ

Ton/m3 x x+1

1 dγ Ton/m3

x x+1

1

0.80 0.83 0.86 0.88 0.90 0.93 0.96 0.98 1.00 1.04 1.08 1.12 1.16

0.52 0.51 0.50 0.49 0.48 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41 0.40

0.66 0.66 0.67 0.67 0.67 0.68 0.68 0.69 0.69 0.70 0.70 0.71 0.71

1.20 1.20 1.28 1.34 1.40 1.46 1.52 1.58 1.64 1.71 1.80 1.89 2.00

0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28 0.27

0.72 0.72 0.73 0.74 0.74 0.75 0.75 0.76 0.76 0.77 0.78 0.78 0.79

0.05 0.15 0.50 1.00 1.50 2.50 4.00 6.00 8.00

10.00 15.00 20.00 25.00

0.430.420.410.400.390.380.370.360.350.340.330.320.31

0.70 0.70 0.71 0.71 0.72 0.72 0.73 0.74 0.74 0.75 0.75 0.76 0.76

40.00 60.00 90.00

140.00 190.00 250.00 310.00 370.00 450.00 570.00 750.00 1000.00

0.30 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 0.19

0.77 0.78 0.78 0.79 0.79 0.80 0.81 0.81 0.83 0.83 0.83 0.84

La variación de la velocidad media real de la corriente vr en función de la profundidad y

para cada punto de la sección puede ser obtenida analizando una franja vertical de la

sección transversal, fig. VI.2. La hipótesis que se formula para realizar el cálculo es

que el gasto en cada franja permanece constante mientras dura el proceso erosivo.

B ∆B A ∆A Ho Hs Perfil del fondo en época de estiaje Perfil del fondo socavado

Fig. VI.2 Variación de la velocidad media real de la corriente con la profundidad



Capítulo V I

32

Tómese la franja de ancho ∆B (fig. VI.2) y considérese que Ho es la profundidad inicial

antes de comenzar el proceso erosivo. El gasto que pasa por esa sección se puede

expresar según Manning por:

BHsn

AVQ o ∆=∆= 3/52/11 (VI.1)

Por ser ∆B pequeño, se considera el radio hidráulico igual al tirante:

donde:

n coeficiente de rugosidad de Manning.

Ho profundidad antes de la erosión.

s pendiente hidráulica.

Se considera una rugosidad constante en toda la sección, por lo tanto el valor de

( )2/11 sn

es constante para cualquier punto de la sección y se denomina α. Entonces:

BHQ o ∆= 3/5α (VI.2)

El valor de α puede también ser expresado como una función del tirante medio Hm de

toda la sección transversal antes de la erosión y del gasto de diseño Qd, ya que:

em BHsn

Q 3/52/11=

donde:

Be ancho efectivo de la superficie de líquido en la sección

transversal; es decir, del ancho total se descuenta el ancho de

las pilas cuando el ángulo de incidencia de la corriente con

respecto al eje de la pila es 0º.

Hm tirante medio de la sección, se obtiene dividiendo el área

hidráulica efectiva entre el ancho Be.



Capítulo V I

33

Cuando la sección en estudio corresponde al cruce de un puente la corriente del agua

forma vórtices cerca de las pilas y estribos del mismo, por lo que se hace necesario

afectar el valor de Qd de un coeficiente de contracción (µ), el cual se encuentre

tabulado en la tabla VI.4.5

Tabla VI.4.

Longitud libre entre dos pilas (claro), en metros Velocidad

media en la sección en

m/seg 10 13 16 18 21 25 30 42 52 63 106 124 200 Menor de 1

1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

4.00 o mayor

1.00 0.96 0.94 0.93 0.90 0.89 0.87 0.85

1.00 0.97 0.96 0.94 0.93 0.92 0.90 0.89

1.00 0.98 0.97 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91

1.000.980.970.960.950.940.930.92

1.000.990.970.970.960.950.940.93

1.000.990.080.970.960.960.950.94

1.000.990.990.980.970.960.960.95

1.001.000.990.980.980.970.970.96

1.001.000.990.990.980.980.980.97

1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.98 0.98 0.98

1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.99

1.001.001.000.990.990.990.990.99

1.001.001.001.001.000.990.990.99

e3/5

m2/1

d BHSn

Q µ=

e3/5

md BHQ αµ= (VI.3)

de la que podemos despejar:

µ=α

e3/5

m

d

BHQ

(VI.4)

Ahora bien, en la franja en estudio, al incrementarse Ho y alcanzar un valor cualquiera

Hs, por continuidad la velocidad disminuye a un valor Vr; en función de esta velocidad y

del tirante se puede decir:

BHVQ sr ∆=∆ (VI.4´)

5 Op. cit., Juárez-Rico, pp. 372



Capítulo V I

34

Igualando VI.4´ ec. con VI.2:

BHBHV 3/5osr ∆α=∆

De donde la velocidad real Vr resulta:

s

3/5o

r HH

Vα

= (VI.5)

La erosión se detendrá cuando a una profundidad cualquiera alcanzada, el valor de vr

velocidad de la corriente capaz de producir arrastre y ve velocidad que se necesita

para que el fondo se degrade, lleguen a ser iguales.

ve = vr es la condición de equilibrio

b) Socavación General en cauces definidos con suelos no cohesivos y

distribución homogénea.

En suelos granulares (arenas y gravas finas) el valor de la velocidad real Vr, es el

mismo que para suelos cohesivos.

s

3/5o

r HH

Vα

=

Y en cambio la velocidad media erosiva está expresada de acuerdo con los estudios

realizados por L.L. Lischtval-Lebediev por:

xs

28.0me Hd68.0V β= ,

segm

(VI.6)



Capítulo V I

35

donde Hs tirante en el que se desea conocer Ve, en metros. x exponente variable que depende del diámetro del material y que

se encuentra en la tabla VI.3.

dm diámetro medio (mm) de los granos del fondo obtenido según la

expresión.

iim P.d01.0d Σ= (VI.7)

donde:

di diámetro medio en mm, de una fracción de la curva

granulométrica que se analiza.

Pi peso en porcentaje de esa misma porción comparada con el

peso total de la muestra. Las fracciones escogidas no deben ser

necesariamente igual entre si.

Aplicando la condición de equilibrio:

re VV =

c) Cálculo de la Profundidad de la Socavación en Suelos Homogéneos.

Dentro de los suelos homogéneos únicamente se distinguen dos condiciones

diferentes según sea el material cohesivo o no.

1. Suelos Cohesivos. La condición de equilibrio es ve = vr, en que ve está dada por

la fórmula VI.1 y vr (VI.5).

s

oxsd H

HH

3/518.160.0

αβγ =

de donde:

=+

βγα

18.1

3/5)1(

60.0 d

oxs

HH



Capítulo V I

36

y por lo tanto:

x

d

os

HH

+

=

11

18.1

3/5

60.0 βγα

(VI.8)

Que es el tirante total que se produce; al restarle el tirante inicial, Ho, proporciona la

socavación esperada.

2. Suelos formados por materiales no cohesivos. En este caso ve está dada por la

fórmula VI.6.

Aplicando la condición de equilibrio:

re VV =

se tiene

s

3/5ox

s28.0

m HH

Hd68.0α

=β

de donde

x1

1

28.0m

3/5o

d68.0H

Hs+

β

α= (VI.9)

de donde se puede deducir la profundidad de socavación como la diferencia entre la

elevación de la profundidad media inicial Ho y la elevación de la profundidad calculada

Hs.

Conocido el perfil transversal de la sección del río bajo el puente, antes del paso de la

avenida, se eligen algunos puntos donde se desea conocer la profundidad de

socavación y ya calculada Hs se traza el perfil teórico de socavación uniendo los

puntos resultantes.

Simplificación del Método de Lischtvan-Lebediev por el Ing. Maza Álvarez Con base en el método de Lischtvan-Lebediev, el cual se basa en la condición de

equilibrio entre la velocidad media del flujo y la velocidad media necesaria para



Capítulo V I

37

erosionar un material dado del fondo, Maza Álvarez simplifica el método utilizando

fórmulas que permiten no recurrir al uso excesivo de tablas como se pudo observar en

el método anterior. Ya conocida la metodología de Lischtvan-Labediev, a continuación

sólo se presentarán las fórmulas que han sido modificadas por Maza Álvarez.

a) Velocidad media del flujo, Vr

De acuerdo con la ec. VI.5 la velocidad real se calcula con:

s

3/5o

r HH

Vα

=

donde según la ec. VI.4

µ

=αe

3/5m

d

BHQ

El coeficiente µ que toma en cuenta a la contracción del flujo, es función de la

velocidad media del flujo y del claro entre las pilas. Maza propone calcular este

coeficiente con la siguiente expresión:

L

V387.01−=µ (VI.10)

donde V es la velocidad media de agua en la sección del puente, en m/s, dada por la

relación:

e

d

AQ

V =

donde:

Qd gasto de diseño en m3/s

Ae área hidráulica efectiva, en m2

L es la longitud del claro entre dos pilas, en m



Capítulo V I

38

C C B a

2 Be1Be 3C 2 C1C

2 b1 b

B

=CΦ

Maza también propone calcular el ancho efectivo Be como:

( ) ( ) φ−+−φΣ−= asenN1ccosbiBBe (VI.11)

donde:

B claro total del puente o del tramo en estudio, en m

a largo de las pilas, en m

Σb suma del ancho de las pilas en el tramo B, en m

c número de caras de las pilas o estribos dentro y en los límites B

N número de pilas o estribos considerados al tomar en cuenta B

φ ángulo que forma la dirección del flujo con el eje longitudinal de las

pilas

Nótese la importancia de que, en el sitio de cruce, el flujo sea paralelo al eje mayor de

las pilas, ya que de otra manera el ancho real sera notablemente reducido (Figuras

VI.3 y VI.4).6

Si está plano se considera dentro De B, C=5 y n=3 C= 6 (caras) N= 4 (pilas o estribos) Be= XBe1+Be2+Be3

Fig. VI.3. Ancho efectivo Be en puentes cuando las pilas están enviajadas con respecto a

la dirección del flujo

6 Op.cit., Muñoz, p.p.46



Capítulo V I

39

C C B a

2 Be1Be

3C 2 C1C

2 b1 b

B

=CΦ Si está plano se considera dentro De B, C=5 y n=3 C= 6 (caras) N= 4 (pilas o estribos) Be= XBe1+Be2+Be3

Fig. VI.4. Ancho efectivo Be en puentes cuando las pilas están alineadas con el flujo

b) Velocidad media erosiva, Ve

De acuerdo con la simplificación propuesta por Maza, la velocidad mínima necesaria

para erosionar el material del fondo se obtiene con las expresiones:

a. Para suelos no cohesivos, según sea el diámetro de la partícula, Ve se obtiene

con una de las siguientes ecuaciones:

Si m0028.0dm00005.0 84 ≤≤ , es decir, para arenas, se utiliza:

03.0

84d/322.0s

28.084e Hd7.4V β= (VI.12)

Si m182.0dm0028.0 84 ≤≤ , se usa:

92.0

84d/223.0s

28.084e Hd7.4V β= (VI.13)



Capítulo V I

40

y finalmente, si m0.1dm182.0 84 ≤≤ , se utiliza:

187.0

84d/191.0s

28.084e Hd7.4V β= (VI.14)

Los exponentes de Hs propuestos y los de Lischtvan-Lebediev no difieren en más de

1.5 por ciento, por lo que el error máximo alcanzado en Ve es menor a 0.55 por ciento

para tirantes mayores de 12m.

b. Para suelos cohesivos, Ve vale:

725.0d/28.66

s18.1

de H000173.0V γβγ= (VI.15)

En las ecs. VI.12, VI.13, VI.14 y VI.15, Ve está en m/s y Hs en m, d84 representa el

diámetro de la muestra de sedimento en la cual el 84 por ciento en peso es menor que

ese tamaño, en metros. Maza sugiere utilizar ese diámetro medio, debido al

acorazamiento que puede tener el lugar en el fondo, sobre todo en materiales con

granulometría extendida o bien graduada. El d84 de la muestra original corresponde

aproximadamente al diámetro medio de la coraza.

En la ec. VI.15, γ d es el peso específico seco conocido en hidráulica fluvial como el

peso volumétrico seco, en unidades kg/m3. En la ec. VI.15 el valor de γ d está

comprendido entre los valores 800 y 2000 kg/m3. En las ecs. anteriores β es un

coeficiente adimensional que toma en cuenta el período de retorno, Tr, del gasto de

diseño, en años. Para obtener su valor Maza propone la expresión:

rTln03342.08416.0 +=β (VI.16)

La cual es válida para períodos de retorno comprendidos entre los 15 y 1500 años.



Capítulo V I

41

c) Socavación para suelos homogéneos

Para suelos granulares no cohesivos, igualando las ecs. VI.5 y VI.12, y despejando Hs

se obtiene:

03.084

03.084

d322.0d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βα

= (VI.17)

de la misma forma, igualando las ecs. VI.5 y VI.13

092.084

092.084

d223.0

d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βα

= (VI.18)

y por último, igualando las ecs. VI.19 y VI.15

187.084

187.084

d191.0

d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βα

= (VI.19)

Para suelos cohesivos, procediendo similarmente con las ecs. VI.5 y VI.15 se llega a:

725.0d

725.0d

28.66

18.1d

3/5o

sH5780H

γ+

γ

βγα

= (VI.20)

Las ecs. VI.17, VI.18, VI.19 y VI.20 deben aplicarse para varias líneas verticales de la

sección del cruce. La profundidad de cada una de ellas esta en función de la

profundidad inicial Ho. Al unir todas las profundidades Hs se obtiene el perfil de la

sección teórica socavada.



Capítulo V I

42

d) Socavación para suelos heterogéneos

Cuando la distribución del material del suelo es heterogénea, la profundidad de la

socavación se puede obtener ya sea por el método semigráfico o analíticamente por

tanteos. Conocida la estratigrafía sobre un eje vertical, se inicia el procedimiento

escogiendo el material de la capa superior y, de acuerdo con su naturaleza, se calcula

la profundidad Hs utilizando las ecs. VI.17 y VI.20, según sea el caso. Recuérdese que

Hs se mide desde la superficie del agua. Si la profundidad resultante cae dentro del

estrato analizado, esta es la profundidad de la socavación y se termina el cálculo. No

hay socavación si la profundidad Hs es menor o igual a Ho y por lo tanto queda sobre la

profundidad de la frontera superior del primer estrato, es decir, del fondo del río. Por

último, si la profundidad de socavación está por debajo de la frontera inferior del

estrato en estudio, esto significa que todo el material del primer estrato es socavado y

la socavación, al continuar, depende ahora de las propiedades del siguiente estrato

hacia abajo. Conocidas las propiedades de este nuevo material se elige la fórmula

adecuada (VI.17 a VI.20) y se obtiene el valor de Hs conservando en las fórmulas el

valor original de Ho.

Nuevamente si Hs cae dentro del estrato considerado, esa es la profundidad de

erosión y se termina el cálculo. Si Hs cae arriba de la frontera entre el estrato

considerado y el anterior, la socavación llega hasta la frontera del estrato en estudio y

se termina el cálculo en la forma ya descrita.

e) Socavación cuando la rugosidad no es uniforme en la sección

Lo expresado hasta el inciso anterior se aplica a cauces con rugosidad uniforme en

todo lo ancho de la sección. Con seguridad la rugosidad uniforme se presenta en

aquellos ríos en donde el ancho de la superficie del agua durante el estiaje es bastante

similar al de la época de lluvias, es decir que se trata de ríos perennes.

Cuando el ancho de la sección presenta diferentes rugosidades, como puede ocurrir

entre el cauce principal y el de avenidas y en zonas con diferente vegetación, el

procedimiento del cálculo es similar a lo indicado. La principal diferencia estriba en que

los cálculos se hacen por separado para cada una de las zonas con igual rugosidad,



Capítulo V I

43

ya que para cada una de ellas se obtiene un coeficiente αi en función de un gasto

idQ que pasa por ellas.

Una forma para obtener el gasto por cada zona con rugosidad similar consiste en

utilizar la siguiente expresión:

( )

dn

1ii

3/2mi

i3/2

mid Q

n/dA

n/dAQ

i

i

i

∑=

= (VI.21)

donde:

Ai área hidráulica en cada zona de la sección transversal total con

igual rugosidad, en m2.

imd tirante medido en cada zona; se obtiene con el tirante medio de la

sección:

i

ie

im B

AH =

ni coeficiente de rugosidad de Manning para cada zona

idQ gasto de diseño o total del río

Se debe cumplir además que el área completa de la sección y el gasto que pasa por

ella sean iguales a iAΣ y idQΣ , respectivamente.

Conocidos los gastos idQ que pasan por cada zona y el material del fondo en ellas, se

obtiene la socavación general utilizando las ecs. VI.4, VI.17, VI.18, VI.19 y VI.20,

según sea el caso.



Capítulo V I

44

f) Reducción de la socavación cuando el flujo transporta mucho sedimento

Cuando por las características de la cuenca la corriente transporta mucho material fino

o de lavado en suspensión, se reduce la profundidad de socavación general del fondo.

Esto ocurre porque se requiere de una cierta cantidad de energía para mantener el

material en suspensión, la viscosidad y el peso específico γ m de la mezcla agua-

sedimento se incrementa y tiende a reducir la turbulencia del flujo. Por lo tanto, si se

desea el mismo grado de erosión que con agua clara, la velocidad media debe

incrementarse. Esto se logra introduciendo en las ecs. VI.12 a VI.15 el coeficiente ψ, el

cual depende del peso específico de la mezcla agua-sedimento. Así dichas

ecuaciones toman la forma:

De la ec. VI.12:

03.084d322.0

s28.0

84e Hd7.4V βψ= (VI.22)

De la ec. VI.13:

092.084d223.0

s28.0

84e Hd7.4V βψ= (VI.23)

De la ecuación VI.14:

187.084d322.0

s28.0

84e Hd7.4V βψ= (VI.24)

De la ec. VI.15:

725.0d

28.66

s18.1

de H000173.0V γβψγ= (VI.25)

El valor de ψ se obtiene a partir de la siguiente expresión:

2

m

1000618.038.0

γ

+=ψ (VI.26a)

o bien

( ) 2m

710x18.638.0 γ+=ψ − (VI.26b)



Capítulo V I

45

donde γ m es el peso específico de la mezcla agua-sedimento, en kg/m3.

Con lo anterior, la profundidad de socavación general para el material no cohesivo se

obtiene con las siguientes expresiones:

Si md 0028.000005.0 84 ≤≤

03.0

84

03.084

d322.0d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βψα

= (VI.27)

Si md 182.00029.0 84 ≤≤

092.0

84

092.084

d322.0d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βψα

= (VI.28)

Si md 0.1182.0 84 ≤≤

187.0

84

187.084

d322.0d

28.084

3/5o

s d7.4HH

+

βψα

= (VI.29)

y para el material cohesivo con

725.0

d

725.0d

28.66

18.1d

3/5o

sH5780H

γ+

γ

βψγα

= (VI.30)

Con el método descrito se obtiene la profundidad de la socavación general en

cualquier tramo de un río, incluso en aquellos en los que el ancho se reduce en forma

natural o artificial y, además, en cualquier sección localizada en una curva, protegida o

no. Es decir, permite no sólo cuantificar la socavación general sino transversal y

también aquella que se produce en las curvas.



Capítulo V I

46

Para la aplicación de este método se requieren los mismos datos que el método de

Lischtvan-Lebediev y además se deben considerar los siguientes aspectos:

Si la sección es compuesta y con diferentes rugosidades se deberá conocer

además de la geometría total de la sección, el ancho y la rugosidad en cada

zona o tramo.

El peso específico de la mezcla agua-sedimento, durante el paso de la

avenida. Este dato es el más difícil de obtener si no existe una estación

hidrométrica cercana al sitio en estudio.

VI.2. SOCAVACIÓN LOCAL Este fenómeno ha sido más estudiado, debido a que el mayor problema que presenta

un puente es la falta de conocimiento de la profundidad de socavación en pilas y

estribos, ya que afecta directamente a la cimentación, provocando la falla total en la

estructura. Existe un gran número de investigaciones realizadas en distintas partes del

mundo. La diferencia entre estas investigaciones radica en las condiciones utilizadas

para calibrarlas y las condiciones existentes al momento de aplicarlas. Cada

investigador maneja un horizonte de las características de variables que afectan el

fenómeno, las cuales son difícil de repetir, para su correcta aplicación en una situación

específica; además, la corrección entre ellas varía para cada caso. Por lo tanto, la

socavación local, desarrollada en estribos de puentes con más de un claro, al parecer

es menos crítica, ya que los puentes colapsados muestran principalmente fallas de

pilas y pocos en estribos.

Por lo anterior, el criterio de elección de las expresiones para el cálculo de la

socavación local en pilas, se basa en la experiencia obtenida en el diseño para cierta

región, con características específicas para identificarla. En la República Mexicana se

han utilizado los métodos de Laursen-Toch y Yaroslavtziev. Estos dos procedimientos

tienen la característica de acotarse mutuamente y descartan aquellos valores que

pueden ser absurdos; un tercer método para valorar los datos proporcionados por los

dos anteriores es el propuesto por Maza Álvarez, desarrollado en el Instituto de

Ingeniería de la UNAM.



Capítulo V I

47

A continuación se presentan algunos criterios para el cálculo de socavación local en

pilas.

Método de Laursen-Toch Este método se basa en experimentos de laboratorio realizados en el Estado de Iowa,

E.U.A. Las funciones fueron elaboradas con datos de estos modelos experimentales.

Laursen-Toch distingue dos procesos generales:

la corriente es paralela al eje longitudinal en la pila, o

existe esviajamiento

s

H

b

a

b Ancho de la pilaProfundidad de la erosiónsTirante de la corrienteH

H/b

1.0

3.0

5.04.03.02.0

2.0

1.0

pila

lade

Anc

ho:

bS

ocav

ació

nof

undi

dad

Pr

:S

Ko

1=

Fig. VI.5. Relación entre la erosión relativa y la profundidad relativa

Cuando la pila está alineada con el flujo (fig.VI.5)7 la socavación puede calcularse con

la siguiente expresión:

bKKS 21o = (VI.31)

donde: So profundidad de socavación medida desde el fondo

del cauce al inicio del proceso erosivo, en m.

K1 coeficiente que depende de la relación entre el

tirante y el ancho de la pila (fig. VI.5).

7 Op.cit. Juárez-Rico, p.p.381



Capítulo V I

48

K2 coeficiente que depende la forma de la nariz de la

pila (tabla VI.5).8

b ancho de la pila, en m.

Tabla VI.5. Coeficiente de corrección que depende de la forma de la pila.

Es solo aplicable a las pilas orientadas según la corriente

FORMA DE LA NARIZ

COEFICIENTE K2

DE SCHEIBLE

Rectangular a/b = 4

1.0

Semicircular

0.90

Elíptica P/r = 2 r P P/r = 3

0.81

0.75

Lenticular P/r =2 r P P/r = 3

0.81

0.69

8 Ibidem Juárez-Rico, p.p.380



Capítulo V I

49

Tabla VI.5. (Continuación)

FORMA DE LA NARIZ

SEGÚN TISON

Biselada a/b = 4 a b

0.78

Perfil hidrodinámico

0.75

Como puede observarse, para Laursen-Toch la socavación depende únicamente del

tirante, ancho de la pila y de la forma de esta; no toma en cuenta la velocidad, ni el

diámetro del material del fondo. Este se considera únicamente arenoso, por lo que el

método no es aplicable si existen boleos en el cauce.

En el caso de incidir oblicuamente a la corriente y formar un ángulo Φ con el eje de la

pila, la socavación puede determinarse con la expresión:

bKKS 31o = (VI.32)

donde K3 es un coeficiente que depende del ángulo Φ y de la relación a/b la cual se

determina con la ayuda de la fig.VI.6.9 En este caso la socavación no depende de la

nariz de la pila. Esta metodología no es muy clara para el caso de contar con suelos

de boleos.

9 Op.cit. Juárez-Rico, p.p.382



Capítulo V I

50

Angulo de incidencia (esviajamiento), 0.

a/b= 16

4

6

8

10

12

14

a

b

O

907560453015O

7

6

5

4

3

2

1

k3 -

Fact

or C

orre

ctiv

o

a = Lardo de Pila

b = Ancho de la Pilaa/b = 2

Fig. VI.6. Coeficiente de corrección cuando existe un ángulo de incidencia entre el eje de la pila y la corriente.

Método de Yaroslavtziev Este método distingue dos casos:

Cuando el cauce está formado por materiales no cohesivos.

Cuando está formado por materiales cohesivos.

Las expresiones propuestas por Yaroslavtziev fueron obtenidas a través de la

observación directa en varios puentes de la ex-Unión Soviética.

a) Método para suelos granulares sin cohesión

La profundidad de socavación en este tipo de suelo está dada por la siguiente

ecuación:

( ) d30gvKeKKS

2

Hvfo −+= (VI.33)



Capítulo V I

51

donde:

So profundidad de socavación, en m

Kf coeficiente que depende de la forma de la nariz de la pila y del ángulo

de incidencia entre la corriente y el eje de la misma, (fig. VI.7 a,b,c).10

Kv coeficiente definido por la expresión:

31

2v gb/v28.0Klog −=

el cual puede encontrar en la gráfica de la fig. VI.8.11

v velocidad media aguas arriba de la pila, después de producirse la

socavación general en m/s

g aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2

b1 proyección de un plano de la sección de la pila perpendicular a la

dirección de la corriente; cuando el esviajamiento de la pila con

respecto a la corriente es de 0º, b1 toma el valor del ancho de la

pila.

e coeficiente de corrección, cuyo valor depende del sitio en donde

están colocadas las pilas; toma el valor de 0.6 si estas se

encuentran en el cauce principal y de 1.0 si están construidas en las

llanuras de inundación.

KH coeficiente que toma en cuenta el tirante, definido por la expresión.

y puede estimarse con ayuda de la fig. VI.9.12

H tirante de la corriente frente a la pila después de haber ocurrido la

socavación general.

d diámetro en m de las partículas más gruesas que forman el fondo y

está representado por el d85 de la curva granulométrica.

10 Op.cit., Juárez-Rico, p.p.383 11 Ibidem Juárez-Rico,p.p. 384 12 Ibidem Juárez-Rico,p.p. 384



Capítulo V I

52

Se toma el d85 debido a que al formarse el vórtice producido por la erosión se realiza

una selección de los materiales y quedan únicamente los más grandes. Cuando el

diámetro del material del fondo es menor de 0.5 cm se recomienda no considerar el

segundo término de la fórmula.

Yaroslavtziev hace hincapié en que, en vista de que el esviajamiento de la corriente

influye considerablemente en la erosión, puede resultar que para un caudal de agua

menor, pero que incida con ángulo de esviajamiento máximo, la erosión local llegue a

ser mayor que para las condiciones de gasto máximo con el ángulo de esviajamiento

menor.



Capítulo V I

53

b

a

0

VH

s

Db0.10K

1

f

==

PILA TIPO I PILA TIPO II 4.12=rK

θθ cos1 basenb +=

( ) bsenbab1 +θ−=

Fig. VI.7a

PILA TIPO III

θ 0 10 20 30 40 Kf 8.5 8.7 9 10.3 11.3

s

VH

0

a

b

D

s

HV



Capítulo V I

54

b2

C

b

a

0

HV

s

( ) oo bsenbab +−= θ1 para C/H≤0.3

θ+θ= cosbasenb o1 para C/H>0.3

donde: ( )bbbbo −+= 2

PILA TIPO V Coeficiente K1 = 12.4 θθ cos1 obasenb += en donde HCbbbbo /)( 2 −+=

Fig. VI.7b

PILA TIPO IV

COEFICIENTE Kf θ 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 8.5 9.9 11.5 12.1 12.4 12.4 10 8.7 10.1 11.6 12.1 12.4 12.4 20 9.0 10.3 11.7 12.4 12.4 12.4 30 10.3 11.3 12.1 12.4 12.4 12.4 40 11.3 12.4 12.4 12.4 12.4 12.4

s

VH

0

a

b

C

b2



Capítulo V I

55

Fig. VI.7c

PILA TIPO VI

β 120 90 60

Kf 12.2 10 7.3

PILA TIPO VII

COEFICIENTE t/b

θ 0 2 4 8 120 8.5 7.5 6.76 5.98 5.4

10 8.7 7.7 6.8 6.1 5.520 9 7.8 7.1 6.2 5.630 10.3 8.6 7.5 6.3 5.740 11.2 9.2 7.9 6.7 5.9

ί

b

a

0

VH

s

s

VH

0

a

b

t



Capítulo V I

56

b) Método para suelos cohesivos

La expresión que define la profundidad es la misma que para suelos granulares y

permite dar un resultado aproximado mediante la apreciación de la resistencia a la

erosión del suelo cohesivo en comparación con la resistencia de un suelo granular. El

término 30d se mantiene igual que en la expresión VI.33, en donde se considera un

diámetro d, equivalente para suelos cohesivos de acuerdo a la tabla VI.6

Tabla VI.6. Diámetros equivalentes a suelos granulares, para suelos cohesivos.

DIMENSIONES DEL DIÁMETRO EQUIVALENTE EN SUELOS GRANULARES

cm ARCILLAS Y SUELOS DE

SUELOS ALUVIÓN Y ALMANENTE ARCILLAS

PESO VOLIMÉTICO DEL

MATERIAL SECO ton/m3

PLÁSTICOS

SUELOS MEDIANAMENTE

PLÁSTICOS MARGOSAS

1.2 1 0.5 0.5 1.2-1.6 4 2 2 1.6-2.0 8 8 3 2.0-2.5 10 10 6

Cabe aclarar que el tiempo es otro factor importante, ya que la degradación del fondo

en un suelo cohesivo tarda más que uno arenoso.

En este método la profundidad de socavación depende principalmente de la velocidad

media del tirante, de las características de la pila y del material de que está constituido

el fondo del cauce, pero no existe un límite en dicha profundidad.

Método de la División de Investigación de la Facultad de Ingeniería de la UNAM El método se basa en estudios experimentales que se llevaron a cabo en tres canales

y una instalación para estudios aerodinámicos. En el primero se estudio la forma como

se inicia y prosigue la socavación, líneas de corriente, etc. El principal objetivo de este

primer estudio es llevar a cabo la comparación entre los métodos de Yaroslavtziev y

Laurse-Toch. El segundo estudio tuvo por objeto verificar para otras condiciones, las

modificaciones propuestas para la determinación de la socavación obtenida en el

primer estudio. En el tercero se estudio superficialmente la socavación en gravas y



Capítulo V I

57

protecciones formadas con pedraplenes y por último, en las instalaciones para

estudios aerodinámicos, se probaron distintos tipos de protección.

En las figs. V.1, V.2 y V.3, se presentan las observaciones realizadas respecto a las

trayectorias de las partículas tanto líquidas como sólidas alrededor del obstáculo, la

forma de iniciarse el proceso erosivo y los avances sucesivos de la socavación.

Los valores obtenidos de la socavación con los que se trabajo, corresponden a los

máximos observados, estos no siempre se presentan en el mismo sitio de la pila. La

ubicación depende de la velocidad de la corriente y de la dirección de la pila con

respecto a la misma. Cuando la velocidad es pequeña y se inicia la erosión, esta se

mide en la esquina de las pilas rectangulares y en las zonas laterales a los 65º

respecto al eje de las circulares. Para velocidades mayores y siempre que el ángulo de

incidencia sea de 0º, la magnitud máxima de erosión es medida en el frente de la pila

cualquiera que sea su forma.

Si la pila está esviajada, el valor de socavación podrá ser medido en alguna parte del

frente cuando la velocidad es menor que la critica de arrastre. Si la velocidad es tal

que ya se tiene un arrastre continuo de partículas, la máxima erosión se mide en el

frente de la pila y si la velocidad es mucho mayor, en la esquina no protegida de aguas

abajo.

Los datos que se obtuvieron en cada ensayo para la condición de máxima socavación

se resumieron en tablas. Por medio de un análisis dimensional se obtuvieron varios

parámetros adimensionales que revelan al graficarlos alguna dependencia con la

socavación. De ellos se obtuvo una gráfica para las pilas rectangulares, semicirculares

y circulares que concordaban con la mayoría de los valores observados (figs. VI.8, VI.9

y VI.10).13

Los parámetros adimensionales que intervienen en dicha gráfica son:

gHvFy

bS

H2

2

1

o =+ en los ejes de las ordenadas y abscisas respectivamente.

13 Op.cit., Juárez-Rico, p.p.391, 392 y 393



Capítulo V I

58

1bH

parámetro interior.

donde:

H tirante medio aguas arriba de la pila, antes de la erosión

So socavación medida desde el nivel del fondo

b1 proyección de la sección de la pila en dirección normal a la

corriente

v velocidad media de la corriente frente a la pila

Para pilas enviajadas, el parámetro F2 se debe corregir y expresar como:

gHvfF

2

c2 = (VI.34)

fc coeficiente de corrección que depende del ángulo de

esviajamiento, de acuerdo a las figuras VI.8 y VI.9.

El diámetro del material influye en el valor de la socavación y su influencia es menor a

medida que aumenta el valor de F2.

Existen dos limitaciones para este método, la primera es que han sido estudiadas

únicamente con tres formas de pilas, y una de ellas, la forma rectangular sólo tiene

interés teórico. La otra limitación es que no se hizo intervenir el diámetro del material.



Capítulo V I

59

=22

F fcVgH

3.23 2.802.96

2.41

2.101.44

1.90

2.202.082.83

2.21 1.43

1.91

1.441.601.67

1.741.94

1.60

2.181.76

2.11

1.61

1.31

1.17

1.11

1.371.49

1.46

1.440.96

1.281.50 1.14

1.000.97

0.890.84

0.24 0.83

0.77

0.24

0.12

0.710.63

0.64 1.33

0.75

0.800.93

0.83

0.82

0.5

0.98

0.93

/

\

\

\ \ \

\ \ \ \

// \

\ \ \ \

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

1.00.80.60.40.30.20.10.080.0604

+

°

°

+

+

+

+

°°++

+

+

+

°° °° °

°°

°°°°°

°

°°°

° °°°

°°°

°°°°

en que:b1 es la proyección de la pila sobre un plano perpendicular al flujoEl coeficiente fc es variable y depende del ángulo de incidencia

b) Si la pila forma un ángulo ø cualquiera con la corriente, los parámetros son:

a) Si la pila está alineada con el flujo

SIMBOLOS

Arena negra, diámetro = 0.17 mm + Arena parda, diámetro = 0.56 mm °Arena rosa, diámetro = 1.30 mm Ángulo de incidencia Ø = 15° /Ángulo de incidencia Ø = 30° \

1.451.41.251fc45°30°15°0°Ø

=22H

b1, F fc V

gH, ST

b1

fc = 1 = b1b

Ø

b1

ba

a

bV

b

Fig. VI.8. Pila rectangular



Capítulo V I

60

Hb1+So = ST

b1

0.01 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

=22

F fcVgH gH

V fcF2

2 =

°

°°

°

°

°

°

°°

°

°

°° °° °

°°°

°

°°°

°°° °

°°

°° °

°°°

°

°

°++

+ +

+

+++

+

+

°+

+

+

+

\ \ \

\

\ \ \

\

\

\

\ \0.45

0.290.39

0.29

0.39

0.46

0.36+1.01

0.76

1.08 0.900.40

0.99 0.670.73

0.77

0.97

+

+

0.970.85

0.530.55

0.73

1.19

1.11 1.02

1.801.27

1.021.19

1.12

1.11

1.45

1.78

1.60

1.49 1.63

1.791.96

1.60

1.64 1.79

1.64

2.06

2.02 2.10

2.002.90

2.70

2.54

2.92

2.66

3.20

3.14

1bH

V

b

a

s

VH

ST

V

Vb

a

ab

b1Ø

b1 = b fc = 1

1bST,

gHVfcF,

1bH 2

2 =

Ø 0° 15° 30° 45°fc 1 1.25 1.4 1.45

SIMBOLOS


a) Si la pila está alineada con el flujo

b) Si la pila forma un ángulo ø cualquiera con la corriente, los parámetros son:

en que:b1 es la proyección de la pila sobre un plano perpendicular al flujoEl coeficiente fc es variable y depende del ángulo de incidencia

Fig. VI.9. Pila redondeada



Capítulo V I

61

Hb1

=22

F VgHgH

VF2

2 =

So+1b

ST1b

H =

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

9

8

7

6

5

4

3

2

1

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

1.00.80.60.40.30.20.10.080.060.040.030.020.01

° °

°°

°°°°°° °°

°° °° °

° °

° °

°

° °

° °

°

°°° °°°

° °° °°

° °°°

°

+

+

+

+++

++

+

+

0.34

0.45

0.48 0.301.010.94

0.710.66

0.98 0.42

2.391.35

1.04

1.50

1.14

2.101.86

1.43

1.09

1.37

1.26

1.061.25

1.32

1.39

1.16

1.24

1.05+

1.00

1.94

1.19

1.30

1.84

1.63

1.57 1.57

2.36

2.302.38

2.292.37

1.96

2.33

2.37

2.482.48

2.142.10

°2.37

2.65

3.23

3.00

3.603.63

4.13

b1 = D

SIMBOLOS


V

ST

H V

s

D

Fig. VI.10. Pila circular



Capítulo VII

62

CAPÍTULO VII

MECÁNICA DEL FENÓMENO DE SOCAVACIÓN

Para entender adecuadamente la mecánica del fenómeno de socavación, y para fines

de este trabajo se dividirá en: hidrodinámica, que estudia las diferentes variables del

flujo y, el transporte de sedimentos, que se encarga de definir el comportamiento y las

características del suelo.

VII.1. HIDRODINÁMICA DEL FENÓMENO DE SOCAVACIÓN A través de los diversos estudios realizados sobre el fenómeno de socavación, se ha

encontrado que en éste intervienen los siguientes factores:

VII.1.1. Tipos de flujo Los tipos de flujo se pueden clasificar en permanente o no permanente; uniforme o no

uniforme; tridimensional, bidimensional o unidimensional; incompresible o compresible;

rotacional o irrotacional; laminar o turbulento; etc.1 Cabe destacar que ésta no es la

única clasificación, pero para la ingeniería hidráulica es la más importante.

Para fines del estudio se tomará en cuenta la clasificación del flujo laminar o

turbulento, ya que ésta depende de la viscosidad y velocidad del fluido, así como de

las dimensiones y características físicas del sólido involucrado Teniendo como

característica principal del flujo laminar un movimiento de sus partículas en

trayectorias separadas bien definidas (fig. VII.1), en cambio en el flujo turbulento las

partículas se mueven en trayectorias completamente irregulares y no tienen un orden

determinado (fig. VII.2).

1 Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, Fundamentos, Grupo Noriega Editores, Vol. 1, México, 1998, p.p. 96 y 97.



Capítulo VII

63

Fig VII.1 Esquema del Flujo Laminar Fig VII.2 Esquema de Flujo Turbulento

Una de las formas para diferenciar el flujo laminar del turbulento, es obteniendo un

parámetro adimensional, denominado número de Reynolds definiéndose como la

relación entre los efectos de inercia y de viscosidad, establecida como:

νLV

µLρVR oo

e ==

donde:

Vo = velocidad media

L = longitud característica

ν = viscosidad cinemática del fluido

Según los distintos investigadores, no existe un límite bien definido en los valores del

número de Reynolds para diferenciar los flujos, ya que son muchas las variables que

intervienen, se acepta que cuando Re>2300 el flujo suele ser turbulento y para

Re<2300 el flujo es laminar.2

VII.1.2. Capa límite En los fluidos viscosos, las partículas que viajan cerca de las fronteras sólidas y en

contacto con las mismas, tienden a disminuir su velocidad hasta casi cero, como

consecuencia de los efectos de la viscosidad; este cambio de gradiente provoca que

cerca de la frontera sólida el flujo tenga una velocidad menor formando una zona

denominada capa límite.

En el interior de la capa límite tanto las fuerzas viscosas como las inerciales son

importantes, esto hace que el número de Reynolds resulte significativo para

2 R.W. Fox R.W. Fox A.T. McDonald, Introducción a la Mecánica de Fluidos, Nueva Editorial Interamericana, 2ª Edición, México, 1986, p.p. 44 y 45.



Capítulo VII

64

u

U

LAMINA

CAPA LIMITE

caracterizar los flujos de la capa límite. Dentro de la capa límite el flujo puede ser

laminar o turbulento.

Descripción física Tomando en cuenta una lámina plana colocada en un flujo uniforme, paralela a la

dirección de la velocidad, en donde el fluido que circula en la vecindad de la lámina

resulta frenado por ella debido a la fuerza de la fricción viscosa, este efecto produce la

capa límite, y su espesor va creciendo hacia aguas abajo, porque un número cada vez

mayor de capas del fluido son frenadas por las capas vecinas (fig. VII.3).3

Fig VII.3. Descripción física de la Capa Límite Separación de la capa límite y formación de estela Cuando se tiene una superficie curva, se produce la llamada separación de la capa

límite en la zona de aguas abajo del obstáculo.

Considerando el caso de un flujo real y bien observado alrededor de un obstáculo de

forma cilíndrica, en la zona aguas arriba de éste las líneas de corriente presentan una

disposición lineal de una manera muy precisa como si el flujo fuese ideal. Sin embargo

en las inmediaciones del cilindro, cara aguas arriba, se forma la capa límite, esto es, la

zona delgada antes descrita en la cual la viscosidad sí se hace sentir. Esta capa límite

va creciendo en espesor y en el tramo A-B (fig. VII.4) se mueve de acuerdo con el

gradiente de presión, esto es, desde A, donde la presión es mayor hasta B, donde es

menor; del punto B al D la presión vuelve a aumentar en el flujo circundante por lo que

el fluido en la capa límite se desacelera, la velocidad disminuye cerca de la pared y se

3 Roca-Villa, Introducción a la Mecánica de los Fluidos, Editorial Limusa, p.p. 436.



Capítulo VII

65

Fig VII.4

A

B C

D

Fig VII.5

D

E

CB

A

obtienen unos perfiles de velocidad como en la zona del punto C, donde incluso se

produce una inversión completa de la velocidad. Esto significa que se genera una

contracorriente local, la cual, combinada con el movimiento general aguas abajo,

genera un vórtice o torbellino. Este vórtice se separa de la pared y es arrastrado en la

estela más o menos turbulenta que se forma detrás del cuerpo. Debido a estos

fenómenos, es claro que no se puede hablar de capa límite cerca de la pared del

cuerpo en el tramo C-D, ya que ésta se separó del cuerpo en la zona del punto C,

siendo barrida hacia aguas abajo, constituyendo más o menos una frontera entre la

zona potencial del flujo y la estela propiamente dicha, y desvaneciéndose rápidamente

al alejarse del cuerpo. La región que parte del punto C hacia aguas abajo se denomina

estela (figs. VII.4 y VII.5).4

En una capa límite laminar el gradiente de presión adverso genera una separación

más rápida que en una capa límite turbulenta, esto se debe a que la cantidad de

movimiento es más pequeña en la capa laminar. La separación de la capa límite

turbulenta se retarda debido a que existe una transición de capa límite laminar a

turbulenta antes de su punto de separación, por un aumento de energía cinética y de

cantidad de movimiento cerca de la frontera.

4 Op. cit., Roca-Villa, p.p. 437 y 438.



Capítulo VII

66

Separación de la capa límite laminar

Fig. VII.6. Separación de la capa límite laminar5

Separación de la

capa límite

turbulenta

Fig. VII.7. Separación de la capa límite turbulenta6

En la figura VII.6 se representa la separación de la capa límite laminar de una esfera

de superficie lisa formando una estela muy grande, lo que trae como consecuencia un

arrastre de presión de gran magnitud. En la figura VII.7 se presenta la misma esfera

tomando en cuenta que se le coloco un arillo metálico en su cara aguas arriba

provocándole una rugosidad y teniendo como resultado una transición temprana al

flujo turbulento dentro de la capa límite, ocasionando una separación retardada, se

puede apreciar que la estela se reduce sustancialmente en tamaño. Por lo anterior, en

muchos casos deliberadamente se provoca este efecto; por ejemplo las oquedades de

la pelota de golf, el recubrimiento de fieltro en la pelota de tenis, que provocan una

resistencia aerodinámica que da como consecuencia una capa límite turbulenta, que

en conjunto con el flujo en general deriva en un coeficiente de resistencia

aerodinámica menor, como se muestra en la figura VII.8. 5 Multimedia fluid mechanics. 2000 by Stanford University and its licensors 6 Ibidem Multimedia fluid mechanics.



Capítulo VII

67

Para las pelotas de distintos deportes que utilizan la transición de capa límite laminar a

turbulenta, la relación que existe entre las velocidades que alcanzan y sus distintos

diámetros tienen valores semejantes, como se muestra en la tabla VII.1, la mayoría de

estos partidos son jugados con valores del número de Reynolds del orden de 2X105.

Fig. VII.8.



Capítulo VII

68

281.0lh=

Tabla VII.1.

Vórtices de Von Kármán Los vórtices de Von Kármán son los que se forman detrás del punto de separación de

la capa límite y viajan dentro de la estela. Inicialmente, se forman en la región

separada un par de vórtices, como se muestra en la figura VII.9; estos vórtices actúan

como “rodillos aerodinámicos” sobre los que fluye la corriente principal. Uno de los

vórtices se alejará en primer lugar, y se diluirá aguas abajo en la estela, después de lo

cual otro vórtice comenzará a crecer en su lugar, posteriormente el segundo vórtice

formado se alejará, y así se inicia un proceso en que los vórtices se alejan

alternadamente desde el cilindro y se mueven hacia aguas abajo, como se indica en la

figura VII.10. La disposición de estos vórtices se llama calle de vórtices de Von

Kármán, quien demostró que para la estabilidad de ésta disposición de vórtices, la

configuración debe de tener una geometría, tal que:

Donde h y l son dimensiones que se indican en la figura VII.107

7 Shames, La Mecánica de los fluidos, Mc Graww Hill, p.p. 387.



Capítulo VII

69

Vòrtice

Vòrtice

Figura VII.9.

Figura VII.10.

Figura VII.11. Calle de vórtices de Von Kármán8

8 Op. cit., Multimedia fluid mechanics



Capítulo VII

70

La calle de vórtices se mueve hacia aguas abajo con una velocidad vs más pequeña

que la velocidad de la corriente principal.

Dentro del intervalo 5 ≤ Re < 50, la zona de separación encierra un vórtice localizado

en la parte posterior del cilindro, seguido de una capa ondulada de vorticidad. Las

modificaciones (aguas abajo del cilindro) que por la presencia de éste sufre el flujo, se

conocen como la estela del cuerpo; es laminar si está comprendida en el intervalo de

números de Reynolds (60<Re<5000), las ondas en la estela se incrementan en

amplitud y se desprenden formando dos líneas de vórtices alternados (figura VII.10),

que tienen un movimiento oscilante de un lado al otro.

Para números de Reynolds mayores de 5000 la estela se puede considerar

completamente turbulenta, aunque la capa límite sobre la porción anterior del cilindro

permanezca laminar.9

A continuación se muestran algunos ejemplos de la formación de vórtices con

diferentes números de Reynolds.10

Re = 9.6 (Cilindro) Re = 13.1 (Cilindro)

9 Op. cit., Sotelo, p.p. 478 y 479. 10 Op. cit., Multimedia fluid mechanics



Capítulo VII

71

Re = 26 (Cilindro) Re = 30 (Cilindro)

Re = 2000 (Cilindro) Re = 15,000 (Esfera)

Re = 30,000 (Esfera)



Capítulo VII

72

VII.2. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Los sedimentos en los cauces naturales están constituidos por una gran variedad de

partículas de distintos tamaños, forma y densidad. Por su resistencia a ser arrastrados

y su comportamiento al ser transportados por la corriente de agua se dividen

principalmente en dos clases: cohesivos y no cohesivos.

Los sedimentos cohesivos son lo que están formados por partículas muy finas

(principalmente arcillas), que se mantienen unidas entre si por la fuerza de cohesión,

la cual es considerablemente mayor que el peso de cada grano y es la que se opone a

las fuerzas de arrastre y sustentación causadas por el flujo; cuando esta fuerza es

superada, las partículas son desprendidas o levantadas y son transportadas en

suspensión.

Los sedimentos no cohesivos o friccionantes están formados por material granular de

grano grueso o partículas sueltas (gravas y arenas), en este tipo de materiales la

fuerza de gravedad predomina sobre cualquier otra, por ello este tipo de partículas

tienen un comportamiento similar. Por todo lo anterior el empuje que debe ejercer un

flujo de agua para mover tales partículas está en función del peso de cada una de

ellas.

Principio de movimiento de la partícula En problemas relacionados con el transporte de sedimentos, interesa conocer las

condiciones bajo las cuales una corriente de agua es capaz de iniciar el movimiento o

acarreo del material que constituye el fondo del cauce por el que escurre. Para

establecer dichas condiciones hay que comparar el esfuerzo cortante que el

escurrimiento del agua produce en el lecho con el esfuerzo cortante crítico del

material, o sea con el esfuerzo cortante máximo que las partículas del cauce pueden

resistir sin ser arrastradas o trasportadas por el agua. Cuando este valor es superado

empieza el movimiento de la partícula.

La observación de este movimiento es difícil en la naturaleza, por lo que los datos más

confiables y disponibles son los obtenidos a través de pruebas de laboratorio.



Capítulo VII

73

Este principio es difícil de definir. Esta dificultad es consecuencia de que el fenómeno

es aleatorio en tiempo y espacio. Cuando la fuerza cortante está cerca de su valor

crítico, es posible observar algunas partículas en movimiento sobre el lecho.

Kramer (1965) ha definido tres tipos de movimiento de partícula.11

1. Movimiento débil.- Solamente unas pocas partículas están en movimiento

apenas perceptible, el cual se da en menos de un centímetro cuadrado.

2. Movimiento mediano.- Las partículas comienzan a desplazarse en un

movimiento que no es tan local, pero la superficie continúa siendo plana.

3. Movimiento general.- El movimiento es constante en todos los sectores del

lecho en todo el tiempo.

11 Sediment Transpot Technology



Capítulo VIII

74

CAPÍTULO VIII

HIPÓTESIS

Al llevarse a cabo diversos estudios de socavación local al pie de pilas y mediante la

observación se ha encontrado que intervienen tres factores principales: el suelo, el

flujo y la pila. Cuando el lecho de la corriente está compuesto por un suelo

friccionante, toma gran importancia la granulometría, debido a que las partículas

pequeñas son arrastradas con mayor facilidad por el flujo, y el peso específico del

material porque a menor peso la turbulencia lo mueve más fácilmente.

En el flujo intervienen las siguientes condiciones: la velocidad, debido que al

presentarse una mayor rapidez en el flujo se produce un incremento en la capacidad

de arrastre de material del lecho; al provocarse un cambio de dirección se genera

turbulencia y en consecuencia vórtices; alrededor de una pila de sección circular se

forma una capa límite, que si es laminar en el punto de separación de la pila, se

volverá turbulenta produciendo una estela y por consiguiente vórtices de Von Karman,

si por el contrario es turbulenta antes del punto de separación provocará una estela

menor y lo vórtices de Von Karman se generan en menor intensidad.

Al convertirse la pila en un obstáculo se genera un cambio en las condiciones

hidráulicas en la sección, lo que provoca que al chocar el flujo con la parte aguas

arriba de la pila, éste se desvíe hacia el fondo del cauce originando el vórtice de

herradura y ocasionándose una socavación al pie de la pila.

Tomando en cuenta lo antes mencionado y los principios que rigen el comportamiento

de una pelota de golf, se formulo la siguiente hipótesis:

Empleando rugosidad artificial en la superficie de la pila, se disipa y desvía la energía del flujo de la corriente y la capa límite que se presenta alrededor de ella se convierte de laminar a turbulenta, lo que disminuyen la estela y los vórtices de von Kármán y, por tanto, la profundidad y el volumen del foso de socavación.



Capítulo IX

75

CAPÍTULO IX

EXPERIMENTACIÓN

Teniendo en cuenta que el objetivo de esta tesis fue determinar la influencia de

distintas rugosidades artificiales en pilas de sección circular, se tivo la necesidad de

llevar a cabo dos tipos de ensayos de laboratorio, el primero para determinar la

velocidad de inicio del movimiento de la partícula del material, propuesto para ser

utilizado en el ensayo base como lecho erosionable; y el segundo para determinar la

socavación local al pie de la pila con diferentes rugosidades en un modelo hidráulico. IX.1 Velocidad de inicio del movimiento de la partícula En el experimento base se estudio la socavación local, por lo cual no debe haber

aportación de material de aguas arriba, esto implica que se deba trabajar en

condiciones de agua clara, lo que hace necesario conocer la velocidad con la cual las

partículas del material utilizado para el foso de socavación inician su movimiento, para

que en el experimento principal se trabaje con velocidades ligeramente inferiores a

ella.

El suelo en los cauces naturales están constituidos por una gran variedad de

partículas de distintos tamaños, forma y densidad, por lo que su resistencia y

comportamiento al ser transportados por la corriente de agua es distinto. Se dividen

principalmente en dos clases: cohesivos y no cohesivos.

Los sedimentos cohesivos son lo que están formados por partículas muy finas

(principalmente arcillas), que se mantienen unidas entre si por la fuerza de cohesión,

la cual es considerablemente mayor que el peso de cada grano y es la que se opone a

las fuerzas de arrastre y sustentación causadas por el flujo, cuando esta fuerza es

superada, las partículas son desprendidas o levantadas y son transportadas en

suspensión.



Capítulo IX

76

Los sedimentos no cohesivos o friccionantes están formados por material granular de

grano grueso o partículas sueltas (gravas y arenas), en este tipo de materiales la

fuerza de gravedad predomina sobre cualquier otra, por ello este tipo de partículas

tienen un comportamiento similar. Por todo lo anterior el empuje que debe ejercer un

flujo de agua para mover tales partículas esta en función del peso de cada una de

ellas.

Principio de movimiento de la partícula En problemas relacionados con el transporte de sedimentos, interesa conocer las

condiciones bajo las cuales una corriente de agua es capaz de iniciar el movimiento o

acarreo del material que constituye el cauce por el que escurre. Para establecer dichas

condiciones hay que comparar el esfuerzo cortante que la velocidad de la corriente

provoca en el lecho del cauce, con el esfuerzo cortante crítico del material de fondo, es

decir con el esfuerzo cortante máximo que las partículas del cauce pueden resistir sin

ser arrastradas o trasportadas por el agua. Cuando este valor es superado empieza el

movimiento de la partícula.

La observación de este movimiento es difícil en la naturaleza, por lo que los datos más

confiables y disponibles son los obtenidos a través de pruebas de laboratorio.

Kramer (1965) ha definido tres tipos de movimiento de partícula, ya mencionado en el

capítulo VII.1

1. Movimiento débil.- Solo unas pocas partículas están en movimiento apenas

perceptible, el cual se da en menos de un centímetro cuadrado.

2. Movimiento mediano.- Las partículas comienzan a desplazarse en un

movimiento que no es tan local, pero la superficie continua siendo plana.

3. Movimiento general.- El movimiento es constante en todos los sectores del

lecho en todo el tiempo.

Existen diversos métodos para determinar la velocidad de inicio del movimiento del

material de fondo, tales como: Criterio de Lischtvan – Lebediev, Criterio de Goncharov,

Ecuación de Maza–Garcia, Ecuación de Nell, Ecuación de Garde, entre otros. Todos

1 Sediment transport technology



Capítulo IX

77

estos criterios se basan principalmente en un diámetro característico de las partículas

que constituyen el cauce, así como en su peso específico.

Para fines de este estudio se determino la velocidad de inicio del movimiento de la

partícula por medio de ensayos de laboratorio realizados en el canal de Rehbock, para

lo que se hicieron algunas adecuaciones a la instalación, además de la elaboración de

una metodología.



Capítulo IX

78

Fig. IX.1. Laboratorio de ingeniería hidráulica de E.S.I.A. Unidad Zacatenco



Capítulo IX

79

E S I A

I PNINSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

UNIDAD ZACATENCO

CROQUIS DE LABORATORIO DE HIDRAULICA TESIS DE TITULACIÓN:

TESISTAS:

1.- TANQUE DE CARGA CONSTANTE2.- CARCAMODE BOMBEO3.- TANQUE DE AFOROS VOLUMETRICOS4.-CANAL DE REHBOCK5.- CANAL DE PENDIENTE VARIABLE6.- TANQUE DE OLAS7.- CONSOLA DE CONTROLES8.- CANAL DE OLEAJE VARIABLE9.- CANAL DE ARENAS10.- AREA DE MODELOS HIDRAULICOSA.- CANAL DE PENDIENTE VARIABLEB.- TORRE DE OSCILACIONC.- MESA DE REYNOLDSD.- CANAL HIDRODINAMICOE.- VISUALIZADOR DE BURBUJAS DE HIDROGENOF.- TUNEL DE VIENTOG.- RED DE TUBERIASH.- AREA DIDACTICAI.- BANCO HIDROSTATICOJ.- ENTRENADOR HIDRAULICO

SEC

RE

TAR

IA

CUBICULO DE PROFESORES DE INVESTIGACION

PASILLO

JEFATURAINSTRUMENTACION

AREA DE MODELADOWCWCWC WC

ACCESO

ALMACEN

BIBLIOTECA

TALLER

GJ

I

H

F

E

D

CA

B

5

10

7

9

8

6

4

3

2

1

Fig. IX.2.



Capítulo IX

80

SECCION B -- BSECCION A -- A

PERFIL

PLANTA

E S I A

I PNINSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA ARQUITECTURA

CANAL DE REHBOCK TESIS DE TITULACIÓN:

TESISTAS:

ACOTACION: MTS.ESC: S/E

Fig. IX.



Capítulo IX

81

Adecuación de la instalación

1. Una rampa con una inclinación menor a 15º para evitar en lo posible

turbulencia por el cambio de sección.

2. Una plataforma horizontal para estabilizar el flujo después de la rampa.

3. Una estructura para retener el material de el foso de socavación

4. Estructura para contener el material que es arrastrado por el flujo, para evitar

su paso a la cisterna.

Fig. IX.4.

1

2

4

3



Capítulo IX

82

Metodología

1. Colocación de los elementos antes mencionados para formar el foso de

socavación, el cual tendrá una longitud de 60 centímetros.

2. Llenado de el foso con el material a utilizar.

3. Nivelación del lecho erosionable con ayuda de un escantillón.

4. Llenar lentamente el canal por ambos frentes del foso, evitando el movimiento

del material hasta alcanzar un tirante de 50 cm en promedio y que la válvula de

alimentación de 12” esté abierta a 4 vueltas.

5. Se baja gradualmente la compuerta abatible que se encuentra aguas abajo

hasta alcanzar el tirante con el cual se inicia el movimiento de partícula.

6. Se mide el tirante con respecto al foso de socavación.

7. Se mide la velocidad con el tubo de pitot sobre el material erosionable.

8. Se toma la lectura del limnímetro colocado en el vertedor de pared delgada

aguas arriba para conocer el tirante, esto con la finalidad de conocer el gasto

que se esta utilizando.

9. Se continúa bajando gradualmente la compuerta aguas abajo hasta que hay un

movimiento constante de las partículas.

10. A partir del momento en que hay un movimiento constante de las partículas se

deja pasar un tiempo de 15 minutos. Durante este periodo de tiempo se mide el

tirante con respecto al foso de socavación, y la velocidad cerca del material

erosionable, además se toma la lectura del limnímetro colocado en el vertedor

aguas arriba.

11. Terminado los 15 minutos se cierra la válvula de alimentación.

12. Una vez drenado el canal se procede a recoger el material que quedo fuera del

foso de socavación y es pesado.

Siguiendo la metodología antes mencionada y utilizando un material de tipo

friccionante con un tamaño de grano entre 4.7mm y 2mm (calibrado), con un peso

volumétrico de 2.26Ton/m3, realizándose siete ensayos.



Capítulo IX

83

Nivelación del lecho erosionable

Llenado del canal

Medición de velocidad de flujo con tubo de Pitot



Capítulo IX

84

Inicio del movimiento de la partícula

Limnímetro para medir carga sobre vertedor

Material socavado



Capítulo IX

85

Granulometría Peso de muestra de material

Volumen de muestra de material IX. SOCAVACIÓN LOCAL AL PIE DE LA PILA CON DIFERENTES RUGOSIDADES Con base a los estudios realizados anteriormente y analizando los resultados se vio la

necesidad de aumentar la velocidad del flujo y el diámetro de las pilas; así como la

utilización de nuevas rugosidades.

Por todo lo anterior se tomaron las siguientes decisiones:

1. Utilizar la instalación denominada canal de arenas con los arreglos necesarios,

ya que cuenta con las dimensiones apropiadas para realizar los ensayos.



Capítulo IX

86

2. Utilizar como material de fondo erosionable una arena cuya velocidad de inicio

del movimiento de la partícula sea menor a la velocidad que alcanza el flujo en

el canal.

3. Emplear tramos de 50cm de longitud de tubo de PVC hidráulico de 6” de

diámetro (16.8cm), para representar las pilas, ya que cuenta con las

características adecuadas para elaborar las rugosidades artificiales en él.

Preparación de la instalación Para poder llevar a cabo los experimentos necesarios para esta tesis y debido a que la

instalación a utilizar (canal de arenas), se encontraba en condiciones inoperantes, se

tuvieron que realizar las siguientes actividades: Primeramente se retiraron todos los

objetos que tenían almacenados en él, para proceder a realizar una limpieza general

en el mismo; una vez llevado a cabo esto se procedió a iniciar con los trabajos para

adaptar la instalación a las condiciones necesarias para los experimentos, en esta

etapa se presentaron diversas dificultades, ya que no se contaba con los recursos

económicos y materiales necesarios para hacer las adecuaciones en tiempo y forma,

por los que estas actividades se realizaron en alrededor de seis meses.

Adecuación de la instalación

1. Incorporar un tubo de alimentación de 8” de diámetro, ya que la alimentación

de 6” con que contaba la instalación no era suficiente para alcanzar el gasto

requerido, para lograr esto en primera instancia se perforo el tanque de

alimentación del canal de arenas para poder introducir el tubo en el mismo, se

colocó una válvula de compuerta de 8” y un codo de 90º del mismo diámetro.



Capítulo IX

87

Válvulas de alimentación de 8” y 6”

2. Construcción de un dentellón de concreto en el tanque de alimentación, para

disipar la energía del flujo proveniente de la tubería de 8”.

Armado de dentellón Dentellón

3. Demolición del muro aguas abajo y retiro de la tubería y válvula de drenaje del

canal, debido a que no tendrían la capacidad necesaria para drenar el gasto a

utilizar y colocar en su lugar un vertedor de pared delgada tipo Rehbock.



Capítulo IX

88

Demolición de muro aguas abajo

4. Construcción de tres muros de mampostería para canalizar el agua drenada

del canal de arenas hacia el canal de retorno a la cisterna.

Muro canalizador

5. Fabricación y colocación del dispositivo para amortiguar la turbulencia del flujo

aguas arriba, construidas a base de una estructura metálica y tela de alambre

relleno con tezontle.



Capítulo IX

89

Dispositivo amortiguador

6. Demolición de una sección de muro del tanque de alimentación para aumentar

la salida del agua del mismo al canal, esto con la finalidad de disminuir la

turbulencia producida por la caída del flujo.

Orificio de salida del tanque alimentación

7. Construcción de dos pequeños muros para formar el foso de socavación, así

como rampa y una plataforma, para evitar turbulencia por el cambio de sección

en el canal.



Capítulo IX

90

Construcción de la rampa

Rampa y foso



Capítulo IX

91

8. Fabricación, colocación y nivelación de un soporte metálico para montar un

limnímetro, que sirve para medir la carga sobre el vertedor.

Soporte metálico y limnímetro de gancho

9. Construcción de un muro en la salida del canal para colocar un vertedor de

pared delgada.

Muro aguas abajo

10. Fabricación, colocación y nivelación del vertedor de pared delgada tipo

Rehbock, hecho con placa de acero estructural de 7/16”.



Capítulo IX

92

Vertedor de pared delgada

11. Búsqueda, habilitación, colocación y nivelación de dos rieles, hechos a base de

ángulo para deslizar sobre ellos un limnímetro viajero, cuya función es la de

configurar los fosos de socavación que se produzcan.

Rieles



Capítulo IX

93

12. Diseño y fabricación de un dispositivo para montar el limnímetro viajero, hecho

de un monten doble de 4” dentro del cual se desliza un carro compuesto de

una placa metálica y tres baleros.

Limnímetro viajero



Capítulo IX

94

13. Construcción de dos muros con sus respectivos chaflanes, para reducir la

sección del canal en la zona de trabajo, ya que sin ellos no era posible

alcanzar la velocidad del flujo requerida.

Muros laterales 14. Aplicación de pintura de alberca al canal de arenas.



Capítulo IX

95

Trabajos preliminares a los ensayos

1. Búsqueda, solicitud, habilitado, colocación y nivelación de dos limnímetros.

2. Cribado de 4m3 del material denominado hormigón, para obtener 0.8m3 de la

arena a utilizar para llenar el foso de socavación.

3. Lavado del material para retirar la mayor cantidad de finos, para así evitar que

se ensucie el agua de las instalaciones del laboratorio.

4. Acarreo del material de la zona de lavado hacia el canal de arenas.

5. Llevar a cabo el estudio de mecánica de suelos denominado granulometría con

el material obtenido.

6. Elaboración de las rugosidades en los tubos con la ayuda de un taladro de

banco y un rauter.

Instalación de Limnímetros



Capítulo IX

96

Prueba granulométrica Medición de velocidades en la instalación Es posible determinar la velocidad del flujo en la zona de estudio indirectamente por

medio de la medición del gasto, pero es importante medir directamente la velocidad

real que lleva el flujo en la zona donde se encuentra la pila, por lo que se utilizaron dos

dispositivos uno sónico y uno mecánico. El primero llamado Doppler, con el cual se

realizaron tres mediciones con alrededor de 250 lecturas cada una y dando como

resultado una velocidad promedio real al frente de la pila de 31.99cm/s. El segundo

dispositivo fue un micromolinete y aunque no estaba debidamente calibrado, se utilizo

principalmente para determinar que no hubiera variación en la curva de velocidades

del flujo en la zona de trabajo del canal, y con los resultados obtenidos se llego a la

conclusión de que la condición del flujo era aceptable.

Metodología

1. Remover el material del foso de socavación, esto con la finalidad de que no se

compacte y acorace.

2. Colocar la pila en el lugar designado, asegurando la verticalidad y posición de

la misma.

3. Nivelar con la ayuda de una regla el material del lecho erosionable.



Capítulo IX

97

4. Poner a funcionar la bomba de 30 HP y esperar alrededor de cinco minutos,

para que el tanque elevado tenga carga.

5. Llenar lentamente el canal, abriendo la válvula de 6” una vuelta y esperar a que

el vertedor aguas abajo empiece a derramar, para evitar el movimiento de las

partículas del material del lecho erosionable.

6. Una vez que el agua comience a derramarse en el vertedor aguas abajo, abrir

rápidamente, primero la válvula de 6” al máximo y en seguida la válvula de 8”,

también al máximo.

7. Al iniciar el proceso de socavación al pie de la pila, empezar la cuenta de

tiempo de duración del ensayo, el cual se determinó en treinta minutos.

8. Tomar a los diez, veinte y veintinueve minutos lecturas del tirante de ensayo.

9. Una vez transcurrido el tiempo del ensayo, cerrar ambas válvulas de

alimentación y apagar el equipo de bombeo.

10. Quitar el tapón de drenaje del canal de arenas.

11. Una vez drenada la mayor parte del agua del canal, esperar aproximadamente

treinta minutos, con el fin de que se desagüe la mayor parte del agua del foso

de socavación.

12. Transcurrido el tiempo, iniciar el levantamiento del foso de socavación con la

ayuda del limnímetro viajero, tomando lecturas cada 2cm en los ejes x, y; y

teniendo una precisión al décimo de milímetro en el eje z, obteniendo alrededor

de mil lecturas.

13. Para los ensayos posteriores, repetir esta metodología.

Remover material del foso de socavación y colocación de pila



Capítulo IX

98

Nivelación del lecho erosionable, y tablero de control de bombas

Llenado del canal y derrame por el vertedor aguas abajo

Desagüe del canal de arenas



Capítulo IX

99

Levantamiento del foso de socavación

Siguiendo esta metodología, se realizaron veintiséis ensayos con una duración

aproximada de ocho horas cada uno; cuyas condiciones de operación de cada uno de

ellos se muestra en la tabla IX.1



Capítulo IX

100

TABLA IX.1 Registro de datos para el cálculo del Número de Reynolds

DURACION DE LA PRUEBA

TIRANTE SOBRE VERTEDOR

CARGA SOBRE VERTEDOR

GASTO "Q" VELOCIDADTIPO DE

RUGOSIDAD No. DE

ENSAYO FECHA

(min) d1

(cm) d2

(cm) d3

(cm) h (cm) (m³/s) (m/s)

No DE REYNOLDS

1 20/01/2005 30 10.09 10.12 10.12 10.11 0.119 0.44 6.31E+04 2 24/01/2005 30 9.99 10.08 10.13 10.07 0.119 0.43 6.17E+04 LISA

3 24/01/2005 30 10.09 10.11 10.12 10.09 0.119 0.44 6.31E+04 1 01/02/2005 30 10.11 10.13 10.21 10.15 0.120 0.44 6.31E+04 2 02/02/2005 30 10.11 10.08 10.1 10.1 0.119 0.44 6.31E+04 R1

3 02/02/2005 30 10.1 10.09 10.15 10.11 0.119 0.44 6.31E+04 1 09/02/2005 30 10.17 10.14 10.13 10.15 0.120 0.44 6.31E+04 2 10/02/2005 30 10.07 10.08 10.09 10.08 0.119 0.44 6.31E+04 R2

3 14/02/2005 30 10.16 10.05 10.06 10.09 0.119 0.44 6.31E+04 1 15/02/2005 30 10.1 10.08 10.11 10.1 0.119 0.44 6.31E+04 2 16/02/2005 30 10.13 10.13 10.12 10.13 0.120 0.44 6.31E+04 R3

3 16/02/2005 30 10.09 10.1 10.1 10.1 0.119 0.44 6.31E+04 1 21/02/2005 30 9.96 9.97 10 9.98 0.117 0.43 6.17E+04 2 22/02/2005 30 10.22 10.08 10.07 10.12 0.119 0.44 6.31E+04 R4

3 23/02/2005 30 10.1 10.09 10.12 10.1 0.119 0.44 6.31E+04 1 08/03/2005 30 10.05 10.07 10.06 10.06 0.118 0.43 6.17E+04 2 08/03/2005 30 10.03 10.04 10.02 10.03 0.118 0.43 6.17E+04 R5

3 09/02/2005 30 10.09 10.06 10.05 10.07 0.119 0.43 6.17E+04 1 10/03/2005 30 10.04 9.98 10.01 10.01 0.117 0.43 6.17E+04 2 10/03/2005 30 9.98 10.03 10.02 10.01 0.117 0.43 6.17E+04 R6

3 11/03/2005 30 10.03 10.06 10.06 10.05 0.118 0.43 6.17E+04 1 14/03/2005 30 10.01 10.06 10.08 10.05 0.118 0.43 6.17E+04 2 14/03/2005 30 9.96 9.97 9.98 9.97 0.117 0.43 6.17E+04 R7

3 15/03/2005 30 9.97 10 9.99 9.99 0.117 0.43 6.17E+04



Capítulo X

101

168mm

500mm

CAPÍTULO X

ANÁLISIS Y RESULTADOS X.1 RUGOSIDADES PROPUESTAS De acuerdo a los experimentos llevados a cabo en investigaciones anteriores, se

propusieron las siguientes rugosidades, para llevar a cabo el presente trabajo:

1. Pila lisa: Esta pila no cuenta con rugosidad artificial y representa la pila que

se utiliza comúnmente como apoyo en puentes. Los resultados obtenidos de

los ensayos realizados con la misma, servirán como base para realizar una

comparativa contra los ensayos realizados con pilas fabricadas con

rugosidades artificiales.

Fig. X.1. Pila sin rugosidad artificial Fig. X.2. Pila sin rugosidad artificial (detalles)



Capítulo X

102

2. Pila con rugosidad artificial R_1: Al chocar el flujo con la pila, la energía se

desvía hacia el fondo lo que provoca una socavación al pie de ésta, para

disminuir dicho efecto se diseño esta rugosidad, con la finalidad de disipar y

desviar hacia los lados la energía del flujo.

Fig. X.3. Pila con rugosidad artificial R_1

Detalle de la forma de las grecasDetalle de la greca plana

3mm

10mm

49mm

59mm

500mm

168mm

Fig. X.4. Pila con rugosidad artificial R_1 (detalles)



Capítulo X

103

3. Pila con rugosidad artificial R_2: El propósito de ésta rugosidad artificial es

volver turbulenta la capa límite, porque se desprende de la pila en una zona

más hacia aguas abajo que una capa límite laminar, lo que reduce la

intensidad de los vórtices de Von Karman.


Detalle del casquete cónico

Detalle de la distribución de los casquetes

500mm

168mm

3mm

12mm

12mm

8mm




Capítulo X

104




desviar hacia arriba la energía del flujo.

Fig. X.7 Pila con rugosidad artificial R_3

10mm

49mm

59mm

500mm

168mm

3mm

Detalle de la greca planaDetalle de la forma de las grecas




Capítulo X

105

5. Pila con rugosidad artificial R_4: El propósito de ésta rugosidad artificial es

volver turbulenta la capa límite, porque se desprende de la pila en una zona

más hacia aguas abajo que una capa límite laminar, lo que reduce la

intensidad de los vórtices de Von Karman; así como también disipar la

energía del flujo que se desvía hacia el fondo en la zona aguas arriba de

ésta.


8mm

12mm

12mm

168mm

500mm

Detalle de la distribución de los casquetes

Detalle del casquete cónico inclinado

45°

15mm




Capítulo X

106



disminuir dicho efecto se diseño esta rugosidad, con la finalidad de disipar

y desviar hacia arriba la energía del flujo.


Cuadrante lateral Cuadrante frontal

500mm

168mm




Capítulo X

107




desviar hacia los lados la energía del flujo.


Detalle de la forma de las grecas

10mm

29.77mm

500mm

168mm




Capítulo X

108




desviar hacia arriba la energía del flujo.


168mm

29.77mm

10mm

Detalle de la forma de las grecas

500mm




Capítulo X

109

X.2 ANÁLISIS Y OBSERVACIONES DE LOS ENSAYOS En base a los ensayos llevados a cabo con las diferentes rugosidades, se observo un

comportamiento distinto del flujo alrededor de la pila, así como un cambio en la estela,

tanto en su forma como en tamaño. Por lo que a continuación se describe el

comportamiento particular de cada rugosidad.

Pila lisa

ESTELAVÓRTICES DE VON KÁRMÁN

ZONA DE GENERACIÓN DE VÓRTICES

SEPARACIÓN DE LA CAPA LÍMITE

FLUJO

Fig. X.17. Fig. X.18.

De acuerdo a lo observado durante los ensayos y como se muestra en las figuras X.17

y X.18, la capa límite se separa de la pila antes del cuadrante, posterior a dicho punto

se encuentra la zona donde se generan los vórtices de Von Kármán.

B

A


FLUJO

Fig. X.19.



Capítulo X

110

La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B como se muestra en la figura

X.19, le provoca al flujo una inclinación aproximada a los 30°.

Pila con rugosidad artificial R_1




FLUJO

Fig. X.20. Fig. X.21.

Tomando como comparación la pila lisa se observo durante los ensayos que la

separación de la capa límite se presenta aproximadamente 2 cm. antes del punto de

separación de la pila de referencia, posterior a dicho punto se encuentra la zona donde

se generan los vórtices de Von Kármán; la turbulencia que se genera en la parte

aguas abajo es menor, esto se atribuye a la forma de la estela la cual tiene menor

abertura, como se muestra en las figuras X.20 y X.21.

B

AFLUJO


Fig. X.22.



Capítulo X

111

La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B como se muestra en la figura X.22, le provoca al flujo una inclinación aproximada a los 25°.


ZONA DE CALMA

FLUJO



VÓRTICES DE VON KÁRMÁN

ESTELA

Fig. X.23. Fig. X.24.

A diferencia de la pila lisa, la capa límite de esta rugosidad rompe aproximadamente

un centímetro después del cuadrante aguas abajo. En esta pila se presenta en

particular en la parten agua abajo una pequeña zona de calma.

Los vórtices de Von Kármán se desplazan aproximadamente paralelos a la dirección

del flujo; la forma de la estela es similar a la pila lisa, pero su abertura es menor como

se muestra en las figuras X.23 y X.24.

B

AFLUJO


Fig. X.25.



Capítulo X

112

La diferencia de tirantes entre el punto A y B es mayor a la que se presenta en la pila

lisa y R_1 (figura X.25).



FLUJO



ESTELA

Fig. X.26. Fig. X.27.

En los ensayos de la pila R_3, la separación de la capa límite se presenta

aproximadamente dos centímetros antes del punto de separación de la pila lisa,

posterior a dicho punto se encuentra la zona donde se generan los vórtices de Von

Kármán. La abertura de la estela es mayor a la de la pila lisa (figuras X.26 y x.27).

B

AFLUJO


Fig. X.28. La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B es menor (figura X.28)



Capítulo X

113


FLUJO




ESTELA

Fig. X.29. Fig. X.30.

El rompimiento de la capa límite se presenta en el cuadrante; los vórtices de Von

Kármán son de menor intensidad, por lo que son poco apreciables. La abertura de la

estela es menor como se muestra en las figuras X.29 y X.30.

B

AFLUJO


Fig. X.31.

La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B es menor (figura X.31).



Capítulo X

114


FLUJO



ESTELA


Fig. X.32. Fig. X.33.

Como se muestra en las figuras X.32 y X.33, el rompimiento de la capa límite se

presenta aproximadamente dos centímetros antes del cuadrante, en cuanto a los

vórtices de Von Kármán son de mayor intensidad que la pila lisa. La estela tiene menor

abertura que en la pila de referencia y las descritas anteriormente. Esta pila tiene

como particular una zona de alta turbulencia entre la separación de la capa límite y el

final de la rugosidad.

B

AFLUJO


Fig. X.34. La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B es mayor (figura X.34).



Capítulo X

115


FLUJOZONA DE GENERACIÓN DE VÓRTICES



Fig. X.35. Fig. X.36.

La capa límite rompe aproximadamente 0.5 centímetros después de la capa lisa; los

vórtices de Von Kármán son de mayor intensidad a la pila lisa y a las anteriores, por

que son mas apreciables.

La estela presenta una mayor abertura, así como una mayor turbulencia (figuras X.35

y X.36).

B

AFLUJO


Fig. X.37.

La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B es mayor en comparación de la

pila lisa (figura X.37).



Capítulo X

116





FLUJO

Fig. X.38. Fig. X.39.

El rompimiento de la capa límite se presenta en el cuadrante y los vórtices de Von

Kármán son de mayor intensidad. La estela tiene una abertura mayor a la lisa y en

comparación a las demás esta en término medio (figura X.38 y X.39).

B

AFLUJO


Fig. X.40.

La diferencia de tirantes entre el punto A y el punto B es mayor en comparación a la

lisa y a las demás rugosidades.



Capítulo X

117

TABLA X.1. Registro profundidades y volúmenes obtenidos en los ensayos

PROFUNDIDAD DEL FOSO DE

SOCAVACIÓN VOLUMEN

SOCAVADO VOLUMEN SOCAVADO

PROMEDIO VOLUMEN SOCAVADO RESPECTO A PILA LISA TIPO DE

RUGOSIDAD No. DE

ENSAYO FECHA

(cm) (cm³) (cm³) (%) 1 20/01/2005 3959.22 2 24/01/2005 3959.22 LISA 3 24/01/2005

9.20 3959.22

3959.22 100%

1 01/02/2005 3387.35 2 02/02/2005 3283.01 R1 3 02/02/2005

7.89 3041.77

3237.38 82%

1 09/02/2005 3695.02 2 10/02/2005 3705.50 R2 3 14/02/2005

7.90 3956.33

3785.61 96%

1 15/02/2005 2936.93 2 16/02/2005 2894.47 R3 3 16/02/2005

7.25 2873.70

2901.70 73%

1 21/02/2005 1988.32 2 22/02/2005 2201.04 R4 3 23/02/2005

6.75 2239.36

2142.91 54%

1 08/03/2005 3169.38 2 08/03/2005 3026.27 R5 3 09/02/2005

7.15 2910.61

3035.42 77%

1 10/03/2005 2765.52 2 10/03/2005 2798.45 R6 3 11/03/2005

6.53 2656.14

2740.04 69%

1 14/03/2005 2854.05 2 14/03/2005 2542.90 R7 3 15/03/2005

6.90 2683.39

2693.45 68%



Capítulo XI

118

CAPÍTULO XI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

De acuerdo a los resultados obtenidos y las observaciones realizadas durante los

ensayos de la presente investigación, se llegó a la conclusión que la forma de la

rugosidad artificial interviene en el comportamiento del flujo alrededor de una pila, por

lo que la hipótesis planteada anteriormente si es valida con las rugosidades artificiales

utilizadas; siendo la más favorable la rugosidad R_4, ya que presentó un volumen de

socavación del 54%, con respecto a el volumen socavado de la pila lisa.

Por todo lo descrito anteriormente se hacen las siguientes recomendaciones, para la

realización de los experimentos:

• Hacer las adecuaciones necesarias a la instalación a ser utilizada, como cuidar

los ángulos de ataque en las reducciones de sección, evitar burbujas de aire.

• Cuidar que no exista serpenteo de flujo, esto significa que la distribución de

velocidades sea la adecuada,

• Procurar que el material erosionable tenga la misma humedad en el inicio de

cada ensayo.

• La relación entre el gradiente de tirante y tiempo sea el mismo.

• Marcar los cuadrantes y utilizar una escala graduada vertical en la pila.

• Para el levantamiento del foso socavado, utilizar los mismos tiempos y no dejar

pasar más de 12 horas.

• Se recomiendan que las pilas sean de concreto.

• Realizar más de tres ensayos por cada pila.

• Anotar todos los detalles observado en bitácora.

• Tomar fotografías y/o video desde las siguientes perspectivas: en planta, con la

cámara lo más vertical posible y en los cuatro cuadrantes.



Glosario

152

GLOSARIO

Aguas abajo Dirección en el sentido de la corriente del agua.

Aguas arriba En dirección hacia el inicio de un río

Arcilla Partículas que desarrollan plasticidad cuando se mezclan

con una cantidad limitada de agua

Área hidráulica Es el área de la sección transversal ocupada por un

líquido dentro del conducto.

Avenida Aumento de los caudales de un cauce natural o artificial

por encima de los normales.

Capa límite Desplazamiento que sufre el flujo principal debido al

frenado de las partículas de fluido en la región cercana a

la frontera sólida.

Capacidad de arrastre Cantidad máxima de sedimentos en relación al de

sedimentos tiempo que puede ser transportada por un

caudal determinado en un cauce.

Cauce Conducto abierto, creado natural o artificialmente, el cuál

contiene agua en movimiento periódico o continuamente

Caudal Magnitud del flujo de una corriente en un lugar

determinado de su curso, o del flujo que mana de una

fuente.

Espigón Estructura artificial, construida mar adentro con el

propósito de evitar el acarreo de los materiales arenosos

que están en la playa.



Glosario

153

Estratigrafía del lecho Disposición, tamaño y características geológicas de los

fragmentos de roca que forman el lecho del lecho.

Estribos Apoyos del puente situados en los extremos y sostienen

los terraplenes que conducen a él.

Flujo compresible Flujo donde los cambios de densidad de un punto a otro

no son despreciables.

Flujo helicoidal Corriente de agua con vórtices.

Flujo ideal Es un fluido cuyo flujo es incompresible y no tiene fricción

interna o viscosidad.

Flujo incompresible Es aquel donde los cambios de densidad de un punto a

otro son despreciables

Flujo irrotacional Es aquel flujo donde el campo rot v adquiere para

cualquier punto e instante un valor igual a cero.

Flujo laminar Flujo de un fluido en el que predominan las fuerzas de

viscosidad. En un cauce las partículas del fluido se

desplazan siguiendo trayectorias relativamente suaves y

bien definidas sin que se produzcan mezclas

transversales significativas.

Flujo no permanente Flujo en donde sus características en un punto

determinado varían de un instante a otro.

Flujo no uniforme Flujo en el cual la pendiente, la superficie transversal y la

velocidad varían de una sección a otra del canal.



Glosario

154

Flujo permanente Flujo en el cual la velocidad en cada punto de la corriente

permanece constante respecto del tiempo; por

consiguiente, el caudal se mantiene constante.

Flujo rotacional Es aquel cuando en un flujo el campo rot v adquiere en

alguno de sus puntos valores distintos de cero, para

cualquier instante.

Flujo turbulento Tipo de flujo en el cual las partículas se mueven en forma

irregular y el movimiento en un punto fijo varía en forma

indefinida.

Flujo uniforme Tiene lugar cuando el módulo, la dirección y el sentido de

la velocidad no varían de un punto a otro del fluido.

Foso Depresión producida por la energía del flujo en el fondo

del cauce.

Foso de socavación Depresión del fondo del cauce al pie de la pila, producida

por la energía del flujo.

Hipótesis Es la propuesta tentativa acerca de las relaciones entre

dos o más variables y se apoyan en conocimientos

sistemáticos organizados. En otras palabras es la

respuesta tentativa a un problema y se pone a prueba

para determinar su validéz.

Hipótesis de trabajo Es aquella que le sirve al investigador como base de su

investigación, es decir, trata de dar una explicación

tentativa al fenómeno que se está investigando.

Limnímetro Instrumento para medir los niveles del agua en cauce,

lagos y estanques.



Glosario

155

Limo Fracciones microscópicas de suelo que consisten en

granos muy finos de cuarzo y algunas partículas en forma

de escamas.

Meandro Cambio en la dirección de una corriente.

Molinete Instrumento para medir la velocidad del flujo.

Nariz de pila Parte de la sección de la pila expuesta a la corriente del

flujo.

Número de Fraude Magnitud numérica adimensional que expresa la relación

entre las fuerzas de inercia y las de gravedad. En cauces

abiertos, el flujo es subcrítico, crítico o supercrítico si su

número de Froude es respectivamente menor, igual o

mayor que la unidad.

Número de Reynolds Número adimensional empleado para caracterizar el tipo

de flujo en una estructura hidráulica donde la resistencia

al movimiento depende de la viscosidad del líquido en

conjunto con la inercia. Es igual a la razón entre fuerzas

de inercia y fuerzas viscosas.

Pila de puente Son apoyos centrales que soportan o cargan los tramos

horizontales de un puente.

Rugosidad Aspereza de la superficie de la pila.

Sedimento Material transportado por el agua desde su lugar de

origen al de depósito.



Glosario

156

Socavación Es la degradación del fondo de un cauce, por la acción

dinámica de la corriente de agua, cuando el material

arrastrado es mayor que el depositado en un punto

específico.

Tasa de arrastre Es el volumen de material arrastrado por unidad de

tiempo.

Turbulencia Propiedad de los fluidos que se caracteriza por

variaciones irregulares en la velocidad y dirección del

movimiento de las partículas.

Tubo de Pitot Aparato que mide la presión en un punto dentro de un

líquido.

Vertedor Estructura hidráulica, en donde la descarga del líquido se

efectúa por encima de un muro o una placa y a superficie

libre.

Vertedor de pared Es aquel donde la descarga se efectúa sobre una

delgada placa o perfil de cualquier forma, pero con arista

aguda.

Viscosidad Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo

cuando se le aplica una fuerza.

Vórtice Rotación de un fluido respecto de un eje de manera tal

que todas sus partículas tengan la misma velocidad

angular.



Bibliografía

119

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• http://www.usgs.gov/2001openhouse/exhibits/35-bridgescour.html



Anexos

123

ANEXOS



Anexos

128

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA L_1

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

129

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA L_2

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

130

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA L_3

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

131

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_1_1

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

132

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_1_2

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

133

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_1_3

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

134

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_2_1

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

135

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_2_2

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

136

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_2_3

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

137

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_3_1

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

138

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_3_2

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

139

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_3_3

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

140

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_4_1

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

141

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_4_2

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

142

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_4_3

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

143

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_5_1

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

144

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_5_2

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

145

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_5_3

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

146

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_6_1

PERFILPLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

147

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_6_2

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

148

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_6_3

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

149

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PRUEBA R_7_1

PERFILPLANTA

00

20

15

10

05

0 10 20 30 40 50 60 70 80



Anexos

150

DIRECCIÓN DE FLUJO

PLANTAPERFIL

PRUEBA R_7_2

PERSPECTIVA

80706050403020100

05

10

15

20

00



Anexos

151

DIRECCIÓN DE FLUJO

PERSPECTIVA

PLANTA

80706050403020100

05

10

15

20

00

PERFIL

PRUEBA R_7_3



Anexos

126

MEDICIÓN DE VELOCIDADES EN LA INSTALACIÓN Equipo sónico Doppler

Posición del doppler en el canal de arenas

Dispositivo sónico

Pantalla para salida de datos



Anexos

127

Equipo mecánico micromolinete

Micromolinete instalado

Dispositivo mecánico

Anexos

124

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ROCAS

ANÁLISIS GRANULOMETRICO

PROYECTO: Tesis de Titulación “Reducción de la socavación local en pilas circulares mediante el uso de rugosidades artifícales” . PESO INICIAL (grs.): 1776.29 MUESTRA No.: 1 . ALUMNO: FECHA: .

MALLA ABERTURA (MM)

PESO SUELO RETENDO (Grs.)

% PARCIAL RETENIDO (%)

% QUE PASA (%)

3” 76.2 - - - 2” 50.8 - - -

1 ½” 38.1 - - - 1” 25.4 - - - ¾” 19.1 - - - ½” 12.7 - - - 3/8” 9.52 - - 100 #4 4.76 140.27 7.89 92.11

CHAROLA - - - - SUMA - - - -

OBSEVACIONES: __________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________.

#10 2.00 1366.45 76.93 15.18 #20 0.84 248.99 14.02 1.16 #40 0.42 17.36 0.98 0.18 #60 0.25 1.25 0.07 0.11 #100 0.149 1.97 0.11 0 #200 0.074 - - -

CHAROLA - - - SUMA 1776.29

Anexos

125

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Y ROCAS

ANÁLISIS GRANULOMETRICO

PROYECTO: Tesis de Titulación “Reducción de la Socavación Local en Pilas Circulares Mediante el Uso de Rugosidades Ratifícales” PESO INICIAL (grs.): 1776.29 MUESTRA No.: 1 . ALUMNO: FECHA: .

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1000.010.1110100

DIAMETRO EN MM

% Q

UE

PASA

, EN

PES

O

instituto politÉcnico nacionaltesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/251/1/binder1.pdf · •...

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