PROCESOS EROSIVOS

- Socavación general

- Socavación transversal

- Socavación curvas

- Socavación local

- pilas

- estribos

- Erosión aguas abajo presas

- Erosión al pie obras descarga

- Socavación bajo tuberías.

SOCAVACIÓN

Socavación general: descenso del fondo durante unaavenida como consecuencia de la mayor capacidadde la corriente para el transporte de sedimentos

Socavación transversal: cuando la sección transversalde un cauce se reduce por la construcción dealguna obra, vgr. estribos de puentes y espigones: sereduce el ancho y se compensa con aumento de hhasta alcanzar continuidad líquido y sedimentos.

Socavación en curvas: en exterior curvas por flujo helicoidal.

Erosión local: al pie de cualquier estructura interpuesta en la corriente:

pilas, estribos, espigones, tuberías.

Erosión aguas abajo de presas: retención de aporte de sedimentos.

Sólo para cauces definidos (c/ estabilidad dinámica)

Método de Lischtvan - Lebediev

Condición de equilibrio:

Socavación general I

homogéneoMaterial

heterogéneo

Socavación general II

Para cálculo de Ur, se supone que q = constante

mientras dura la erosión

Manning:

Vel. inicio Vel. real

arrastre

e rU U

53

1/2 5/3 5 3

0

12

1(1)

1

r o

cte

d

m e

Q U A S h B h Bn

QS

n h B

h0 = tirante inicial entre el nivel

del agua al pasar la avenida y el

nivel del fondo en estiaje

Socavación general III

Gasto de diseño:

Con corrección si hay un puente o algún otro obstáculo:

1/ 2 5/ 31Ancho de superficie libre (efectivo)

tirantemedioantesde socavación

d mQ S h Ben

5/ 3

d mQ h Be

m

e

Ah

B

Coeficiente de contracción

Socavación general IIIa

Socavación general IIIb

Coeficiente de contracción µ

Velocidad media Distancia entre pilas, m

o más

Socavación general IVAhora, en condiciones de erosión,

Válida cuando:

- B = constante al paso avenida

- Fondo desciende uniformemente en el ancho (sólo donde cauce principal está cubierto por agua en estiaje; si no, se forman islas, etc. con mayor rugosidad; río tiende a escurrir por zona de estiaje más socavación ahí).

De (1):

s

r s

r s

A h B

Q U h B

U h B

5/3

0h B

5/3

0r

s

hU

h

Socavación general V

1. Perfil antes de la erosión

2. Perfil de equilibrio al final de la erosión

h0hs

Socavación general VIGranulares:

Cohesivos:

0.280.68 x

e m sU D h

1.180.60 x

e sU h

= coeficiente/período retorno= peso volumétrico T/m3

Dm en mm

T, años β

1 0.77

2 0.82

5 0.86

10 0.90

20 0.94

50 0.97

100 1.00

500 1.05

1000 1.07

Cálculo de hs en suelos homogéneos

Ur = Ue

1/(1 )5 / 3

0

0.28

1/(1 )5 / 3

0

1.18

0.68

0.68

x

s

m

x

s

hh granulares

D

hh cohesivos

Socavación general VII

Tabla I.11 Valores de x y 1/(1+x), para suelos cohesivos y no cohesivos

x1

1

x1

1

x1

1

x1

1

Material cohesivo Material granular

γV,

Tf /m3

x γV ,

Tf /m3

x Dm, en

mm

x Dm, en

mm

x

0.80 0.52 0.66 1.20 0.39 0.72 0.05 0.43 0.70 40.00 0.30 0.77

0.83 0.51 0.66 1.24 0.38 0.72 0.15 0.42 0.70 60.00 0.29 0.78

0.86 0.50 0.67 1.28 0.37 0.73 0.50 0.41 0.71 90.00 0.28 0.78

0.88 0.49 0.67 1.34 0.36 0.74 1.00 0.40 0.71 140.00 0.27 0.79

0.90 0.48 0.67 1.40 0.35 0.74 1.50 0.39 0.72 190.00 0.26 0.79

0.93 0.47 0.68 1.46 0.34 0.75 2.50 0.38 0.72 250.00 0.25 0.80

0.96 0.46 0.68 1.52 0.33 0.75 4.00 0.37 0.73 310.00 0.24 0.81

0.98 0.45 0.69 1.58 0.32 0.76 6.00 0.36 0.74 370.00 0.23 0.81

1.00 0.44 0.69 1.64 0.31 0.76 8.00 0.35 0.74 450.00 0.22 0.83

1.04 0.43 0.70 1.71 0.30 0.77 10.00 0.34 0.75 570.00 0.21 0.83

1.08 0.42 0.70 1.80 0.29 0.78 15.00 0.33 0.75 750.00 0.20 0.83

1.12 0.41 0.71 1.89 0.28 0.78 20.00 0.32 0.76 1000.00 0.19 0.84

1.16 0.40 0.71 2.00 0.27 0.79 25.00 0.31 0.76

Socavación general IX

Socavación general XEjemplo

Qdiseño = 3500 m3/s; T= 100 años

Dm = 0.5 mm (arena)

S = 0.001 ΔB = 200 m

Para 1000 m3/s:

P1= 0.7 m;

P2 = 1.3 m

P3 = 1.8 m

P4 = 1.7 m

P5 = 1.3 m

P6 = 0.4 m

Socavación general XI

En suelos heterogéneos:

Prueba y error o semigráfico

Velocidad

Profundidad

Ejemplo p.2.11.40, A.III Manual

Ejemplo (socavación general en un cauce heterogéneo)

Sección transversal: siguiente hoja

Qdiseño = 3500 m3/s; T= 100 años

Separación entre pilas: 40 m

Dm = 0.5 mm (arena)

Dm = 3.0 mm (grava)

γV = 2100 kgf/m3 (material cohesivo)

S = 0.001

Determinar la sección transversal durante el paso de la

avenida.

Secciones con rugosidades diferentes.

El cálculo se hace zona por zona, con:

donde:

Ci=coeficiente de Chezy =

5/ 3

dii

mi ei i

Q

D B

1

d ei i i

di n

ei i i

i

Q A C hQ

A C h

1/ 6

n

i

d

n

Comentarios:1. Datos necesarios: Qd, sección transversal, sondeos para γs, γv, Dm.

2. q = corriente durante la socavación; no hay flujos transversales.

3. Las regiones más débiles se erosionan más rápido en un

evento, la erosión en las regiones más resistentes puede ser

mayor que la calculada.

Erosión Transversal

Erosión transversal o debida a contracciones

Se puede calcular como socavación general tomando en cuenta

el ancho efectivo

Otro método: Straub para material homogéneo

.0 642

12 1

2

Bh h

B

Erosión en curvas

Altunin:

máx rh h

r = Radio de curvatura al centro del ancho

hr = Tirante máximo en el tramo recto aguas arriba, m

Erosión local

Al pie de obstáculos rodeados por la corriente, p. e. pilas de

puente

Producida por obstáculos unidos a las márgenes, p. e. espigones

o estribos de puentes

Erosión al pie de pilas de puente I

Maza-Sánchez,

pilas rectangulares:

Erosión al pie de pilas de puente II

Maza-Sánchez,

pilas rectangulares con

nariz redondeada:

Erosión al pie de pilas de puente

IIIMaza-Sánchez,

pilas circulares:

b1=D

Erosión al pie de estribos o espigones

Talu

d

0

Artamonov:

T q kS P P P h

Q

Q

h

1

0

Gasto antes del obstáculo

Gasto con el ancho efectivo en la zona contraída

Tirante antes de la socavación

Ángulo que forma el espigón con la corriente

Espig

.Te TS S

ones enfrentados:

0 75

Socavación bajo tuberías

Socavación al pie de compuertas

90

18log 12.27/

0.06 1

11.6

C

C

C

C

H

c H C

s C

C

H

H C

R QU R S

k x A

DS

R Y

v

gR S

90

s

velocidad crítica, en m/s

radio hidráulico crítico, en m

diámetro representativo del material del fondo, el cual se puede considerar como D

coeficiente que es función de la relación k /

C

C

H

s

U

R

k

x

2

, se calcula con ayuda de la fig. II.10

área critica, en

pendiente del cauce cuando cesa el arrastre, adimensional

coeficiente que depende de la relación / y cuyo valor se calcula con

c

c

s

A m

S

Y k

la figura II.10

espesor de la capa límite

Erosión aguas abajo de grandes embalses

1. Calcular y por tanteos dando a x y Y un valor inicial igual a uno .

2. Se supone que el fondo ha descendido hasta un nivel Zi al pie de la cortina; ahí se

debe tener una pendiente SC.

3. Se traza el círculo de mayor radio que pase por (0,-Zi ) cuya pendiente en ese

punto sea Sc y que además sea tangente a la pendiente inicial, S0 .

De esta manera es posible conocer la distancia Li, así como el volumen Vi

que ha sido necesario remover desde la pendiente inicial hasta el nuevo perfil

obtenido.

4. Se repite lo anterior para varios valores de Zi y se construyen gráficas de Zi

contra Li y de Zi contra Vi .

,c hcS R cA

Procedimiento de cálculo

Como se conoce qBT en una sección inalterada, al conocer los volúmenes

erosionados se puede calcular el tiempo que se requiere para descender hasta

cada nivel Zi => gráfica Zi contra tiempos; en la sección al pie de la cortina

se ve que al principio los descensos son muy notables y disminuyen en

magnitud a medida que transcurre el tiempo. Si las gráficas se construyen para

otras secciones aguas abajo, se obtienen curvas más uniformes cuanto más

alejada esté la sección considerada.

Para una profundidad de erosión Zi dada, las coordenadas y el radio de la

circunferencia están dados por:

2ZiAbscisa α

m

ZiOrdenada β21 m 1

Radio r β

La longitud Li a lo largo del río afectada por la erosión

iL

El área erosionada,

2 22

360 2 2

i i i Ci

Z Z Z SrA r

m m

donde

Deflexión ,en grados

En las ecs II.64 a II.68 se tiene

0 Cm S S

El volumen erosionado será igual al área Ai multiplicada por el ancho medio del

fondo del cauce.

Si el material no es uniforme, hay que tener presente que se produce una selección

de tales materiales, de tal suerte que en las primeras secciones que dan los granos

más gruesos. Esto hace que la pendiente crítica en dichas secciones varíe y se

haga más pronunciada.

Ejemplo

D90 = 1.4 mm

D50 = 1.0 mm

Q= 400 m3 /s

S0 = 0.0007

B=200 m

Solución

De tanteos:

RHc = 2.59 m; Sc = 3.8 × 10-5 ; Uc = 0.77 m/s; Ac = 518.4 m2

m = 0.0007-0.000038 = 0.000662

Engelund III

. sBT

s

ug

g D

3 12 2 2

0

1 22

50

0 05

Válida cuando * 50

* 12v D

R

y cuando. gD 500 15 2 mm, 2

En el rango *0.047 0.1 da más transporte del que debe

gBT ≈ 0.009 kgf /m s

m = 0.000662 Z alfa beta r L fi A V t

gBT= 0.009 kgf/s -0.2 604.229607 -912733.646 912733.646 604.229607 0.0379298