AMHXXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012AMH

Introducción

Las estadísticas demuestran que la principal causa de falla de puentes radica en la socavación, y esto puede ocurrir cuando se producen fuertes lluvias en donde crece el cauce de los ríos y la velocidad de la corriente, en estas condiciones parte del suelo que forma el lecho se mueve originando la socavación. De ahí la importancia de entender y visualizar los mecanismos que dan origen al fenómeno.

El presente artículo muestra los resultados de las pruebas de laboratorio realizadas con tres tipos distintos de sección transversal la pila y material del lecho constituido de arena con tamaño de partícula de 0.075 mm a 2 mm. Esto, con el propósito de visualizar los mecanismos de interacción entre el flujo del agua, la geometría de la pila y el material que forma el lecho y que dan origen a la socavación. Estas pruebas fueron realizadas en un equipo denominado canal de transporte de sedimentos.

Los resultados obtenidos muestran que la geometría de la pila es importante en la magnitud de la profundidad de socavación así como la pendiente longitudinal del fondo. Esto debido a que mientras mayor sea la interferencia que se presente frente al flujo de agua mayor será la profundidad de la socavación esperada. Por otra parte la visualización del fenómeno permite a los estudiantes de la carrera de ingeniería Civil conocer las medidas que habría que implementar para evitar la socavación y con ello disminuir la probabilidad de colapso de los puentes.

Antecedentes

Es evidente que el conocimiento de la profundidad a que puede llegar este efecto erosivo es de fundamental importancia en el diseño de cimentaciones poco profundas por ejemplo en puentes, pues una falla seria de juicio en esta cuestión conlleva la posible pérdida de vidas humanas, la destrucción total de la estructura o la adopción de profundidades antieconómicas y excesivas, que complican seriamente los procedimientos de construcción. Juárez. (2007).

La socavación es el resultado de la acción erosiva del flujo de agua que arranca y acarrea material de lecho de un cauce, y que se ve aumentado con la incorporación de estructuras dentro del cauce, convirtiéndose en una de las causas más comunes de falla en puentes.

La socavación local en pilas se presenta al pie de las estructuras interpuesta a las corrientes, sumergidas o que emergen de la superficie del agua, como resultado de la deflexión de las líneas de flujo, la turbulencia y la vorticidad provocada por la presencia del obstáculo.

Cuando se coloca una pila de puente en la corriente de un río se produce un cambio en las condiciones hidráulicas de ésta, y, por lo tanto, en su capacidad para producir arrastre sólido. Si la capacidad de arrastre supera localmente el aporte del gasto sólido del río, ocurrirá en la pila una socavación local. Albarran Aguilar, Enrique. (2007).

El cálculo de la profundidad de socavación en un puente ha inquietado a los ingenieros. El enfoque dado al cálculo de las máximas profundidades de socavación en la actualidad, parte de suponer que ésta depende de variables que caracterizan al flujo, al material del lecho en el cauce, la geometría de la pila y del ángulo de incidencia del flujo con respecto al eje de la pila.

Para el calculo de la profundidad máxima de socavación en pilas existen muchos metodos, todos con resultados distintos, entre ellos se pueden citar, el método de Richardson, el Método de Maza Alvarez y Sánchez Bribiesca, entre otros. A continuación se indica una de ellas

ys / y1=2.0 K 1 K2 (b/ y1 )0.65 Fr 10.43

(1)

Donde ys es la profundidad de socavación (m), y1 es la profundidad del flujo frente a la pila (m), B es el ancho de la pila (m), Fr1 es el número de froude y K1, K2 son los parámetros de forma de la pila y de incidencia del flujo.

La discrepancia de resultados entre una y otra está asociadad a la discusión existente todavía entre los factores que influyen en la erosión. Tampoco se ha dado respuesta a la influencia de números de Froude altos (pendiente alta).

En los ensayes que se presentan en este artículo se prueban pendientes longitudinales del lecho que van desde lecho horizontal hasta pendiente de 4%.

Equipos y materiales

El equipo denominado canal de transporte de sedimentos se encuentra en el laboratorio de modelos hidráulicos de la facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Dicho canal es rectangular con paredes transparentes que permite la visualización del flujo a través de él, tiene un ancho de 7.8 cm un tirante máximo de 11cm, longitud de 155 cm. En el fondo del canal se le puede colocar una capa de 5 cm de material granular, el gasto se proporciona mediante una bomba de 50 kW, y la medición se realiza a través del vertedor rectangular.

DETERMINACIÓN DE LA SOCAVACIÓN DE PILAS EN LABORATORIO

Espinosa Espinosa María Carmen1, Sánchez Quispe Sonia Tatiana2 Domínguez Sánchez

Constantino3

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo; Santiago Tapia 403, Morelia, Michoacán

E-mail: 1espinosaemc@gmail.com, 2soniatsq@hotmail.com, 3constantinods@hotmail.com

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Figura 1. Canal de transporte de sedimentos.

El material que forma el lecho el río consiste de una muestra de arena de mar cuya distribución de frecuencias y curva granulométrica se indica a continuación.

Tabla 1. Tabla de distribución de frecuencia

Malla

Diámetro de la malla [mm]

Peso [gr]

Peso retenido

[gr]

Peso que pasa [gr]

Porcentaje que pasa

 No. 10 2.000 445 2 2998 99.93

No. 16 1.180 465 22 2976 99.20

No. 20 0.850 481 38 2938 97.93

No. 30 0.600 1349 906 2032 67.73

No. 40 0.425 491 48 1984 66.13

No. 50 0.300 1547 1104 880 29.33

No. 60 0.250 737 294 586 19.53

No. 100 0.150 799 356 230 7.67

No. 200 0.075 625 182 48 1.60

0.0250.2502.5000.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

Curva Granulométrica

DÍAMETRO DE LAS PARTÍCULAS (mm)

PORC

ENTA

JE Q

UE P

ASA

Figura 2. Curva Granulométrica.

De acuerdo a la clasificación American Geophysical Union para materiales sedimentarios se trata de una arena de granulometría extendida. El componente principal es sílice que se encuentra en forma de cuarzo.

En cuanto a las pilas, se cuenta con tres especímenes: de sección circular, rectangular con nariz redondeada y aerodinámica. Cada una de ellas será probada para distintos gastos y pendiente longitudinal de lecho del río.

Figura 3. Pilas analizadas.

Pruebas realizadas y resultados

Se coloca la arena en al canal para formar el lecho con un espesor de 5 cm.

Escenario de prueba 1.

Consiste de hacer pruebas con la pila circular, iniciando con lecho horizontal hasta alcanzar la pendiente de 4%, con gasto equivalente al nivel 2 del equipo.

Figura 4. Pila circular. Con pendiente horizontal del canal.

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Figura 5. Pila circular. Con pendiente de 2% del canal.

Figura 6. Pila circular. Con pendiente de 2% del canal y vista de perfil.

Figura 7. Pila circular. Con pendiente de 4% del canal.

Tabla 2. Características del escenario 1

PendienteGasto [m3/s]

Diámetro del pozo [m]

Profundidad [m]

Horizontal 4.00E-04 0.055 0.003

2% 4.00E-04 0.06 0.01

4% 4.00E-04 0.05 0.013

Tabla 3. Resultados del escenario 1

SY1

[m]Área [m2]

V [m2/s]

Fr1Gasto [m3/s]

Ys [m]

K1 K2

0% 0.0332.57E-

030.155 0.273

4.00E-04

0.066

1 1

2% 0.0503.90E-

030.103 0.146

4.00E-04

0.058

1 1

4% 0.0705.46E-

030.073 0.088

4.00E-04

0.053

1 1

En las figuras 12 a15 se observa la presencia de socavación alrededor de la pila, se observa que es más drástico a medida que la pendiente va aumentando. Se destaca una magnitud mayor frente a la pila. Esto, debido a los vórtices que ahí se generan, se observa también un depósito de material detrás de la pila.

Escenario de prueba 2.

Consiste de hacer pruebas con la pila rectangular y nariz redondeada, iniciando con lecho horizontal y se va aumentando la pendiente hasta el 4%, con gasto equivalente al nivel 2 del equipo.

Figura 8. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 1% del canal.

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Figura 9. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 1% del canal.

Figura 10. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 2% del canal.

Figura 11. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 2% del canal.

Figura 12. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 4% del canal.

Figura 13. Pila rectangular con nariz redondea, pendiente 4% del canal.

Tabla 4. Características del escenario 2

PendienteGasto [m3/s]

Diámetro del pozo [m]

Profundidad [m]

Horizontal 4.00E-04 0.055 0.003

2% 4.00E-04 0.06 0.01

4% 4.00E-04 0.05 0.013

Tabla 5. Resultados del escenario 2

SY1

[m]Área [m2]

V [m2/s]

Fr1Gasto [m3/s]

Ys [m]

K1 K2

0% 0.0302.34E-

030.171

0.315

4.00E-04

0.156 1 2.3

2% 0.0118.58E-

040.466

1.419

4.00E-04

0.210 1 2.3

4% 0.0705.46E-

030.073

0.088

4.00E-04

0.122 1 2.3

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En las imágenes anteriores se observa que conforme aumenta la pendiente es más drástica la socavación. Pero también se percibe que el ancho del pozo de socavación es menor en comparación al que se produjo con la pila circular.

Escenario de prueba 3.

Consiste de hacer pruebas con la pila aerodinámica, iniciando con lecho horizontal, aumentando la pendiente hasta el 4%, con gasto equivalente al nivel 2 del equipo.

.

Figura 14. Pila aerodinámica, con lecho horizontal del canal.

Figura 15. Pila aerodinámica. Con pendiente de 1% del canal.

Figura 16. Pila aerodinámica. Con pendiente de 1% del canal.

Figura 17. Pila aerodinámica. Con pendiente de 2% del canal.

Figura 18. Pila aerodinámica. Con pendiente de 4% del canal.

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Figura 19. Pila aerodinámica. Con pendiente de 4% del canal.

Tabla 6. Características del escenario 3

PendienteGasto [m3/s]

Diámetro del pozo [m]

Profundidad [m]

Horizontal 4.00E-04 0.055 0.003

2% 4.00E-04 0.06 0.01

4% 4.00E-04 0.05 0.013

Tabla 7. Resultados del escenario 3

SY1

[m]Área [m2]

V [m2/s]

Fr1Gasto [m3/s]

Ys [m]

K1 K2

0% 0.0241.87E-

030.214

0.440

4.00E-04

0.054

1 0.75

2% 0.0064.68E-

040.855

3.523

4.00E-04

0.082

1 0.75

4% 0.0086.24E-

040.641

2.288

4.00E-04

0.075

1 0.75

Por último los resultados obtenidos con la pila de perfil aerodinámico se observa que la pendiente sigue siendo un factor importante ya que a mayor pendiente en el cauce es más drástico el fenómeno de socavación.

Conclusiones

Los factores importantes a tener en cuenta en el proceso de socavación son la geometría de la pila y la pendiente longitudinal del lecho. Al incrementarse la pendiente aumenta la velocidad y por ende la capacidad de arrastrar partículas del fondo provocando que se rompa la condición crítica de las partículas. En tanto que el obstáculo que presenta la geometría de la pila y su localización frente a la dirección del flujo provocan un aumento en la vorticidad que se aprecia con un mayor movimiento de las partículas al ser removidas con mucha facilidad.

La reproducción del fenómeno en el laboratorio de modelos hidráulicos, es una buena opción de apoyo a la docencia ya que permite a los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil visualizar los mecanismos de interacción entre el flujo del agua, la geometría de la pila y el material del lecho. Así como definir alternativas de protección contra la socavación.

Está claro que para lograr diseños de puentes con menor probabilidad de fallo frente a los eventos extremos de avenidas no solo es necesaria la intervención de especialistas en estructuras o mecánica de suelos sino también se requiere la intervención del ingeniero hidráulico.

Agradecimientos

Al laboratorio de modelos hidráulicos del Departamento de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Al cuerpo académico de Gestión Integral del Agua del departamento de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Michoacán de San Nicolás de Hidalgo.

Referencias

Juárez Badillo Eulalio, Rico Rodríguez Alfonso. (2008). “Mecánica de suelos III”. Limusa: México D.F.

Martínez López Griselda. (2007). “Socavación en obras civiles y su problemática”. Tesis del Instituto Politécnico Nacional: México, D.F.

Martínez Marín Eduardo. (2001). “Hidráulica Fluvial, Principios y Práctica”. Bellisco, Ediciones Técnicas y Científicas.

Martín Vide Juan Pedro. (2003). “Ingeniería de Ríos”, Alfaomega Grupo Editor.

Santiago Casanova María Elena. (2007). “Hidráulica de ríos socavación en ríos puentes y carreteras”. Tesis del Instituto Politécnico Nacional: México, D.F.