Socavación general y local en cauces naturales y artificiales

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Debido a que el patrón de flujo de la socavación es demasiado complicado por la configuración de las obstrucciones, a menudo es necesario utilizar modelos de estudio, a fin de establecer la profundidad de socavación de equilibrio como una función de variables pertinentes.

Más de 10 fórmulas han sido desarrolladas para predecir la socavación local alrededor de pilotes de puentes, basados esencialmente en ensayos de laboratorio. Algunas de estas fórmulas son usadas para pilotes rectangulares. En el caso de pilotes circulares, la profundidad de erosión es cerca del 90% de la de los pilotes rectangulares; para pilotes hincados, es cerca del 80%.

[pic 32]

Figura 11: Fosa de socacación local alrededor de una pila de puente, Chang 1998

La fórmula de Laursen (1962) contiene la profundidad de socavación local como una variable implícita:

[pic 33]

donde [pic 34] es la profundidad de socavación debajo de la elevación media del lecho, [pic 35] es el ancho del pilote, normal al flujo, y [pic 36] es la profundidad media de flujo aguas arriba del pilote. En los estudios experimentales de Laursen, el diámetro medio del sedimento medido estaba entre 0,46 y 2,2 mm.

Neill usó la curva de diseño de Laursen de 1956, para obtener una fórmula con la variable [pic 37] en forma explícita:

[pic 38]

Shen y otros (1969) usaron el número de Froude en la predicción de la profundidad de socavación:

[pic 39]

donde [pic 40] es el número de Froude basado en la velocidad media aguas arriba [pic 41] y la profundidad [pic 42].

La Colorado State University (1975), o CSU, entrega la fórmula

[pic 43]

Jain y Fisher (1979) estudiaron la socavación alrededor de pilotes circulares para número de Froude altos, y propusieron las siguientes fórmulas:

[pic 44], para [pic 45], y

[pic 46] , para [pic 47]

donde [pic 48] es el número de Froude crítico para transporte de sedimento incipiente. En el intervalo [pic 49], el valor más alto entre ambas fórmulas es usado. El procedimiento para computar [pic 50], es el siguiente:

- Determinar [pic 51], desde el diagrama de Shields o basado en la estimación del diámetro medio del material del lecho.

- Calcular el espesor de la capa laminar [pic 52], y obtener la razón [pic 53].

- Seleccionar el factor de corrección [pic 54] en la distribución logarítmica de velocidades.

- Calcular la velocidad media crítica de la ecuación

[pic 55]

- Calcular [pic 56] a través de [pic 57].

Pilotes alineados en forma no paralela a la dirección del flujo crean fosas de socavación más profundas, debido a que se incrementa la dimensión [pic 58]. La obstrucción al flujo es afectada por la anchura del pilote normal al flujo. Esto también está relacionado con la forma del pilote. La intensidad de turbulencia en el movimiento, así como la profundidad de socavación, pueden ser reducidas con pilotes de formas perfiladas o simplificadas.

Todas las ecuaciones expuestas anteriormente son válidas para materiales no cohesivos. La erosión de materiales cohesivos depende de las fuerzas de arrastre y de las fuerzas internas cohesivas. Cuando las fuerzas de arrastre son bastante mayores a las de los materiales cohesivos erosionables, son también suficientes para transportar el sedimento como material suspendido. Sin embargo, muy poco material es transportado como material de lecho. Como la oferta de sedimento de lecho tiende a cero, el modelo se convierte en socavación de “agua clara”. La socavación se estabiliza cuando la velocidad decrece, con la fosa de socavación ya desarrollada, a valores menores a la velocidad crítica de arrastre para el material del lecho.

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[pic 61]

Efectos de turbulencia al pie de los pilotes (causante de la socavación)

Profundidad de socavación (Ds) dejado posterior a la crecida del cauce

[pic 62][pic 63]

Profundidad de socavación (Ds) producida posterior a una crecida

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3. Socavación local alrededor de terraplenes.

La socavación local alrededor de terraplenes y diques de bifurcación, es debido a la obstrucción del flujo causado por dichas estructuras. En una corriente de lecho móvil, la socavación alcanza el equilibrio cuando la proporción de sedimento que ingresa y sale es balanceada. Pero la fosa de socavación rara vez permanece constante, incluso en las pruebas de laboratorio bajo una descarga constante, debido a que las profundidades de socavación fluctúan al tiempo en que hay dunas que se mueven en el lecho aluvial. La profundidad de socavación usualmente decrece cuando una cresta de cuna alcanza el área de socavación, y decrece al acercarse a bajas presiones. La profundidad de socavación de equilibrio es el promedio de estas fluctuaciones. En aplicaciones de ingeniería, la profundidad máxima de socavación puede obtenerse de la profundidad de socavación de equilibrio, más la mitad de la altura de la forma del lecho (duna o antiduna).

La profundidad de socavación de equilibrio debe ser distinguida de la profundidad de socavación de “agua clara”. Esta última ocurre en ausencia de sedimento, y es establecida cuando la velocidad se torna muy baja como para mover el material en el agujero de socavación.

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Figura 12: Socavación local alrededor de terraplenes, Chang 1998.

Liu y otros (1961) presentaron una expresión la profundidad de socavación de equilibrio en suelos para flujo subcrítico:

[pic 65]

donde