Protecciones con Enrocados - U

Protecciones con Enrocados
93
Protecciones con Enrocados
Pueden ser sueltos o consolidados
(conglomerados con hormigón)
94
Protecciones con Enrocados
Se especifican por su diámetro, espesor de
Capa y/o su peso crítico.
95
Protecciones con Enrocados
Formulación teórica
Superficies
Horizontales
τ 0 ≤ (τ ∗ ) c × ρ × g × ( s − 1) × d s
Dh = 4 × h
2
vmax
τ0 = ρ × g × f ×
8g
d s 1/ 3
f = 0,113 × ( )
h
v max ≤
4(τ ∗ ) c
h
× 2 g ( s − 1)d s × ( )1 / 6
ds
0,113
Se recomienda usar τ*c = 0,03 (Shields-Parker)
96
Protecciones con enrocados de Fondo
Fórmulas Experimentales
Fórmula de
Isbash.
(Hydraulic
Design
Criteria – USCE)
vmax : 0,86 × 2 g ( s − 1) d s cos θ
Fórmula de
Neill (1968).
C.R.
F=
1,20 × 2 g ( s − 1) d s cos θ
Vmax
d
= 2( s − 1) × ( s )1/ 3
h
gh
97
Protecciones con enrocados de Fondo
Fórmulas Experimentales
Ayala – Balbontín, Laboratorio U. de Chile
Flujos Macrorugosos.
h* = 1 +
h
ds
h∗ < 2,6 ⇒ F = 3,225 × (
h∗ > 2,6 ⇒
K = 0,02
K = 0,06
K ( s − 1) 1 / 2
h
2 ,867
) × h∗
× ( ) −2
g
ds
F = 5,263 × (
K ( s − 1) 1 / 2
h
) × h∗2,367 × ( ) − 2
g
ds
Las piedras individuales del enrocado están absolutamente inmóviles.
Hay movimiento generalizado de las piedras
98
Protecciones con Enrocados En Taludes
Fórmulas Experimentales
Lopardo-Estellé: Fs =
Válida para: 9 <
 h
v
= 1,3 × 
g ( s − 1)d s
 ds



1/ 6
  senθ 

× 1 − 
  senφ 
2



h
< 67
ds
θ
99
1/ 4
Protecciones con enrocados en Taludes
Fórmulas Experimentales
California División of Highways
Fs = 1,92 × [sen (φ − θ )]
1/ 2
Fórmula de Stevens y Simons.
Fs = 1,58 ×
[(tgφ × tgθ )
]
− S 2 × cosθ
h
× ( )1 / 6
S × (tgφ / tgθ )
ds
2
S es un factor de seguridad
….¿Son las ùnicas soluciones los enrocados?
100
Protecciones con Gaviones
Usualmente en
taludes
Q ->
Pata flexible
101
Protecciones con Gaviones
Usualmente
en taludes
Para cauces menores y con poca capacidad de arrastre de
bolones o rocas. Se calculan estructuralmente como un muro
de contención.
102
Elementos de Hidráulica Fluvial
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Introducción
Hidráulica de cauces naturales (generalidades)
Propiedades de los sedimentos
Resistencia hidráulica en cauces aluviales
Arrastre incipiente de sedimentos no – cohesivos
Mecánica del transporte de sólidos.
Protecciones con enrocados (de fondo y en
taludes)
8. Socavación general y local
103
Socavación= Socavación General + Socavación local
Conceptos Generales
104
Conceptos Generales
105
Socavación general
Método de Lischtvan Lebediev
Q j = Qp ×
K hj
Qp: caudal peak de la crecida.
Kh
Qj: caudal de la subsección “j”.
A K hj
v j = v× ×
Aj K h
Khj: coeficiente de transporte de la subsección.
Kh: coeficiente de transporte de la sección transversal completa.
106
- Ecuación de Manning
5/3
q = Jm ×
h
nj
- Ancho unitario y altura h
- Rh = h
Integrando para toda la subsección j, se tiene:
Qj =
Jm
nj
× ∫ h 5 / 3 dl
lj
Se puede estimar la altura hm, tal que:
5/3
m
h
1
= × ∫ h 5 / 3 dl
lj 0
Si la sección se divide en varias franjas de ∆l y altura h:
 ∆l 
hm5 / 3 = ∑ h 5 / 3 ×  
l 
 j 
Luego, Qj y q serian:
Qj =
Jm
nj
×h
5/3
m
×lj
Jm
qj =
× hm5 / 3
nj
107
Dividiendo q por qj, se llega a:
 h 
q = q j ×  
 hm 
5/3
Debido a la socavación, en una franja de profundidad h, la
velocidad disminuye a ve, pasando de la altura de
escurrimiento h a hs
Finalmente, la altura socavada (hs) se podrá determinar
:
dividiendo
el caudal unitario por ve
qj  h 
hs = ×  
ve  hm 
5/ 3
Suelos Granulares
TR
1 años
2
5
10
20
50
100
500
1000
β
0,77
0,82
0,86
0,90
0,94
0,97
1,00
1,05
1,07
dm[mm]
0,05
0,15
0,50
1
1,5
2,5
4
6
Suelos Cohesivos
γs [t/m3]
0,80
0,83
0,86
0,88
0,90
0,93
0,96
0,98
1,00
v e = 0,68 × β × d m0, 28 × hsx
x
0,52
0,51
0,50
0,49
0,48
0,47
0,46
0,45
0,44
X
0,43
0,42
0,41
0,40
0,39
0,38
0,37
0,36
dm[mm]
8
10
15
20
25
40
60
90
x
0,35
0,34
0,33
0,32
0,31
0,30
0,29
0,28
dm[mm]
140
190
250
310
370
450
570
750
x
0,27
0,26
0,25
0,24
0,23
0,22
0,21
0,20
ve = 0,60 × β × γ s1,18 × hsx
γs [t/m3]
1,04
1,08
1,12
1,16
1,20
1,24
1,28
1,34
1,40
x
0,43
0,42
0,41
0,40
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
γs [t/m3]
1,46
1,52
1,58
1,64
1,71
1,80
1,89
2,00
x
0,34
0,33
0,32
0,31
0,30
0,29
0,28
0,27
109
Suelos Granulares
Suelos Cohesivos
K hj
 h 
=
×  
1,18
0,60 × β × γ s
 hm 
5/3
hs1+ x =
hs1+ x
 Qp
qj =
×
= 
lj
Kh  l
Qp



5/3
qj
0,68 × β × d m0, 28
 l
 × 

 lj
hs = h + S
S = h − hs
qj
  K hj
×
 K
  h



 h
× 
 hm
Socavación General
Método de Maza
d s ≈ hs = h + S
α= J
111
SOCAVACIÓN GENERAL
Método de Lischtvan Lebediev
Supone que durante el “peak” de la crecida, se llega a una
condición de equilibrio en que el aumento del área mojada
debido a la socavación del lecho, disminuye la velocidad del
escurrimiento a un valor tal que el proceso erosivo se detiene
Método de Neill
Es similar al método de Lischtvan Levediev. La velocidad
competente está tabulada en función de altura de
escurrimiento.
112
Socavación General
Método de Neill (Guide to Bridge Hydraulics (1973))
Método de la “velocidad competente”.
La velocidad media en la subsección correspondiente del cauce,
que no genera socavación general del lecho (similar a
Lischtvan-Lebediev).
Si la velocidad del escurrimiento supera a la velocidad
competente, el cauce se erosiona hasta que la velocidad
disminuya al valor correspondiente a la velocidad competente.
Según Neill el método es conservador si el escurrimiento
arrastra una cantidad apreciable de gasto sólido.
Procedimiento de Cálculo.
- Se determina la velocidad media (v) y profundidad media (h)
para el caudal de diseño suponiendo que no hay erosión en la
sección transversal, paralelamente se obtiene el tamaño medio del
material del lecho (d50). Sección compuesta se divide en
subsecciones.
- La velocidad competente se determina del gráfico de Neill para
material no cohesivo y de la tabla si el material es cohesivo.
- Si v > velocidad competente => Existe socavación generalizada.
(lecho de granulometría extendida se recomienda usar d80 para
tomar en cuenta el acorazamiento)
- La socavación general se determina por aproximaciones
sucesivas, adoptando una forma sección (o subsecciónes)
transversal, tal que v = velocidad competente.
1
h = 1,5 m
h = 6,0 m
h = 3,0 m
h = 15 m
0,1
0,1
1
10
100
1000
Material No Cohesivo
Velocidad competente [m/s]
10
ds [mm]
h [m]
1,50
3,00
6,00
15,0
Material fácilmente
erosionable. [m/s]
0,60
0,65
0,70
0,80
Material medio.
[m/s]
1,00
1,20
1,30
1,50
Material muy
resistente. [m/s]
1,80
2,00
2,30
2,60
Material
Cohesivo
Cálculo de la Socavación por contracción
Se produce por la contracción inducida por la existencia de
bancos de sedimentos, bancos de hielo o ubicación de un puente
u otra estructura hidráulica que reduzca el ancho natural de un
cauce. Se debe agregar a la socavación general
Secc. 0 (sin contracción)
Secc. 2 (contraída)
Secc. 1 (aguas arriba)
116
Cálculo de la Socavación por contracción
En condición de “lecho vivo”.
Modelo de Laursen (1962)
117
Cálculo de la Socavación por contracción
En condición de “aguas claras”.
Modelo Laursen-Richardson-Davis (2002)
τ o* = τ c*
(Laursen recomienda
Usar Ks=ττ*c=0,039)
118
SOCAVACIÓN LOCAL
Producida por la existencia de una obra hidráulica en un cauce fluvial
no revestido, como por ej. Pilas, estribos, a la salida de radieres de
hormigón, saltos de esquí, etc.
Bocatoma Laja Sur.
119
Factores que influyen en la socavación
local de pilas: Forma de la pila,
condiciones del flujo (h,v) aguas arriba,
granulometría del material del lecho,
Ángulo de ataque, etc.
120
Socavación Local en Pilas
Desde 1940 muchos autores han efectuado estudios de socavación,
fundamentalmente en lechos de arena.
CI 51B
121
SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS
Método HEC 18
Método de la Federal Highway Administration (2001)
122
K1
Factor de Corrección por forma
de la Pila
123
K2
Factor de corrección
por ángulo de ataque
K3
Factor de corrección por
cond. movimiento)
124
K4
(tamaño del material del
lecho)
Vic Dx = Velocidad critica para erosión
incipiente for sedimento de tamaño Dx
Vic Dx = Velocidad critica movimiento
incipiente para sedimento de tamaño Dx
Ku = 6,19 (SI)
Kw
Se usa Kw, si:
-Altura de flujo / ancho pila < 0,8
(factor de corrección -Ancho pila / Dmedio > 50 y
por pilas muy
- Número de Froude < 1
anchas)
¿Qué pasa con pilas
complejas?
Puente 5S-Río Maipo
127
Pilas complejas => aislar y luego superponer efectos.
128
Socavación local en Pilas
Método de Melville (1997)
Incorpora el concepto del acorazamiento (“armoring”).
y s = K1 K 2 K ya K i K D
y s , K1 , K 2 : Socavación, factor forma, factor ángulo ataque, Ídem HEC18
129
130
SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS
131
Socavación en Estribos
Modelo Chang-Davis (2001): Lecho Vivo
Modelo Chang-Davis (2001): Aguas Claras
y2 a ≈ K t ⋅ K v
0 ,857
⋅ y 2c
Kt y Kv se calcula de igual forma que para el caso de lecho
vivo
Socavación Local
Al pie de un Umbral
Los umbrales son obras hidráulicas frecuentes que atraviesan un
río de lado a lado, con distintos objetivos como son: barrera
móvil, vertedero fijo para elevar el nivel y así poder captar en los
canales que utilizan el agua del río, sifón que cruza de un lado a
otro del río...etc.
Estos umbrales sirven de fundación y dan apoyo a las estructuras
superiores.
nivel de aguas abajo en el río,
hd
135
Socavación Local
Al pie de un umbral
Bormann y Julien (1991).
smax . + D p
h0
0 ,8
 v02 
h 
 ×  0 
= 0,61× 
 gh0 
 d 90 
0, 4
×
senα
[sen(25° + α )]0,8
 v0 
hd
α = 0,32senα b + 0,15 log n (1 +
) + 0,13 log n ( ) − 0,05 log n 

h0
h0
gh

0 

Dp
En el caso de un chorro que incide directamente sobre la
superficie libre de aguas abajo, con un ángulo, puede
adoptarse: α = α0
136
Schoklitsch (1932).
s max . + hd = 4,75 × q
0 , 57
H 0, 2
× 0,32
d 90
d90 debe expresarse en [mm].
Cv
Ivanissevich.(1980)
s max .
h
H
= 1,04 × C v3 / 2 × ( ) 0,75 × ( 0 ) 0,5
h0
h0
d 90
v = C v × 2 gH
Cv es un coeficiente de velocidad que varía entre 0,9 y 1.
Socavación Local
Aguas abajo de un Salto de Esquí
El chorro describe una trayectoria parabólica en la atmósfera
con algún grado de disipación de energía por fricción con el aire
y entra impactando a la masa de agua con un cierto ángulo
“H”, es igual a la diferencia entre el Bernoullí del chorro en su
despegue del vertedero y el nivel de la masa de agua a la que
impacta el chorro
138
Veronese (1937).
smax . + hd = 3,68 × H
0 , 225
q 0,54
× 0, 42
dm
d m : diámetro medio, en mm
smáx . + hd = 1,90 × H 0 , 225 × q 0 ,54
d m < 5mm
Colemann.
s máx . + hd = 1,90 × H 0, 225 × q 0,54 × senβ
El ángulo β se forma por el chorro con la horizontal en el punto
de impacto con la masa de agua.
Wu (1973).
s máx . + hd = 1,18 × H 0 , 235 × q 0 ,51
Rango
Validez
25 ≤ q ≤ 113,6 m 3 /s/m
31 ≤ H ≤ 180 m
19 ≤ smáx . ≤ 43 m
139
Referencias Bibliográficas
1.
American Society of Civil Enginneering. Sedimentation
Engineering. ASCE Manual and Reports on Engineering
Practice N° 110. Edit. Marcelo Garcia. 2007.
2.
H.N. Breusers y A.J . Raudkivi.IAHR. Scouring.
Hydraulic Structures Design Manual. 1983.
3.
Hoffmans. G y Verheij. Scour Manual. Ed. Balkema.
1997. Neill (Guide to Bridge Hydraulics (1973).
4.
Mery, H. Hidráulica aplicada al diseño de obras. 2008.