Socavación en Puentes

SOCAVACION
EN PUENTES
Ing. Gustavo Prado H.
Introducción
La erosión es un fenómeno cuyos mecanismos de generación y
actuación están definidos por el agua, los vientos y agentes químicos.
Cuando dicha erosión es generada tanto por efecto del agua de lluvia
al caer como por el escurrimiento superficial proveniente de la
misma fuente, se produce lo que conocemos como SOCAVACION, y
en este caso, haremos énfasis en la socavación en puentes
(particularmente en las pilas y estribos).
Socavación en Puentes
A. Tipos de Socavación en Puentes
• Socavación de Agua Clara
• Socavación de Cama Viva
B. Componentes de la Socavación en Puentes
• Socavación por Contracción
• Socavación Local
• Degradación
• Migración Lateral
... Tipos de Socavación en Puentes
Existen dos tipos de socavación en puentes: agua clara y cama
viva (o lecho vivo).
•
Socavación de Agua Clara: ocurre cuando el flujo que está
causando socavación no contiene material de lecho (esto no
implica que algún sedimento fino no pueda estar en
movimiento
como
carga
lavada).
Se
presenta
principalmente en cauces con lechos de materiales gruesos o
en áreas de inundación con vegetación.
•
La Socavación en Cama Viva: ocurre cuando existe
material del lecho en el canal aguas arriba del puente, que
se está moviendo con el flujo que causa la socavación.
... Componentes de la Socavación en Puentes
La socavación está compuesta por: a) la socavación por
contracción, b) la socavación local, c) la degradación y d) la
migración lateral, que sumadas constituyen la socavación total.
A. Socavación por Contracción: involucra la remoción de
materiales de lecho en todo el ancho del canal, causado por:
• Contracción natural del cauce.
Ver Fig. 1
• Contracción del flujo por el puente o estructuras de
aproximación. Ver Fig. 2
• Islas, bancos de arena, bermas, desechos o vegetación.
• Cambios en el control aguas abajo.
• Recodos.
Sección Transversal Aguas Abajo
Vista en Planta
Sección Transversal Aguas Arriba
Fig. 1 Socavación por Contracción Natural del Cauce
Flujo de
Inundación
Flujo de
Inundación
Rellenos de Aproximación
Vista en Planta
Contracción
Canal
Sección Transversal en el Puente
Figura 2. Contracción del Flujo por el Puente o Estructuras
de Aproximación
... Componentes de la Socavación en Puentes
B. Socavación Local : involucra la remoción de materiales en una
zona particular del cauce.
Ocurre en pilas, estribos, bancos guía y rellenos.
Este tipo de socavación es causada por la aceleración del flujo y
el desarrollo de vórtices en el agua inducidos por obstrucciones
en el flujo.
... Componentes de la Socavación en Puentes
Variables que influyen en la socavación local en pilas:
a. Características del Flujo:
• Velocidad aguas arriba del flujo
• Profundidad del flujo aguas arriba de la pila.
• Angulo de ataque del flujo.
• Flujo a presión.
b. Geometría de la pila:
• Ancho de la pila
• Longitud de la pila
• Forma de la pila.
Ver Fig. 3
L
L
a
a
(a) Frente Cuadrado
a
(b) Frente Redondeado
L = mínimo 5a
L
a
(c) Pila Cilíndrica
a
(d) Frente Agudo
(e) Columnas Cilíndricas
Múltiples
Figura 3 Forma de la Pila
... Componentes de la Socavación en Puentes
c. Geometría de la fundación y elevación:
• Ancho
• Longitud
• Espesor
• Elevación con respecto a la superficie del lecho
d. Material del lecho:
• Tamaño
• Granulometría
• Configuración del lecho
• Cohesividad
• Estratificación
... Componentes de la Socavación en Puentes
•
Socavación Local en Pilas Múltiples: se recomienda una
separación entre pilas (mínimo) 5 veces el diámetro, para
evitar que se presente el solape entre las socavaciones
independientes.
SOCAVACION LOCAL EN PILAS
... Componentes de la Socavación en Puentes
•
Socavación en Estribos: mecanismo de socavación igual al de
las pilas.
Condiciones Generales:
a. Tipos de Estribos. Fig. 5
• Estribos con pendiente al frente (inclinados)
• Estribos verticales con paredes o muros laterales.
• Estribos verticales sin paredes laterales.
Corte
Corte
A
A’
Planta
Corte
A
Planta
A’
A
Planta
A’
Sección A - A’
Sección A - A’
Sección A - A’
a) Pendiente al Frente o Inclinado.
b) Estribo Vertical sin paredes laterales.
c) Estribo Vertical con paredes laterales.
Figura 5. Tipos Comunes de Estribos.
... Componentes de la Socavación en Puentes
b. Ubicación de los Estribos:
•
Los estribos pueden ser ubicados a diferentes ángulos
con respecto a la dirección del flujo:
Dentro del canal principal.
Fig. 6
En el borde del canal principal.
Fig. 7
Retirados del borde del canal principal. Fig. 8
Estribos dentro del Canal
Zona de Socavación
Zona de Socavación
Vista en Planta
Canal
Sección Transversal en el Puente
Figura 6. Los Estribos se encuentran dentro del Canal
Estribos en el borde del Canal
Zona de Socavación
Zona de Socavación
Vista en Planta
Canal
Sección Transversal en el Puente
Figura 7. Los Estribos se encuentran en los Bordes del Canal
Principal
Estribos retirados del Canal Principal
Vista en Planta
Canal Principal
Sección Transversal en el Puente
Figura 8. Los Estribos se encuentran retirados del Canal
Principal
Solape de socavación local en pila y estribo
... Componentes de la Socavación en Puentes
c. Condiciones del Flujo en la Sección del Puente:
El flujo puede provenir de planicies de inundación, o
solo del canal principal. El que proviene de las planicies
de inundación, y que es encausado para regresar al
canal en la sección del puente, incrementa las
profundidades de socavación, debido a que:
• Incrementa la fuerza de los vórtices
• El flujo que se encausa es por lo general libre de
sedimentos. Fig. 9
Puente
Dique Natural
Relleno
Flujo
Figura 9. Elementos de la Planicie de Inundación en
la zona del Puente.
... Componentes de la Socavación en Puentes
C. Degradación o Acumulación de Sedimentos: se produce
por cambios a largo plazo en las elevaciones del lecho
del cauce. Se obtiene a través de información histórica.
D. Migración Lateral (Traslación del Canal): puede
erosionar el relleno de aproximación o variar la
socavación total, al cambiar el ángulo de aproximación
del
flujo
hacia
el
puente.
Debe
evaluarse
la
vulnerabilidad del puente a los cambios en los
alineamientos horizontales en los cauces.
Fig. 10
Vista en Planta
Canal Principal
Figura 10. Migración Lateral
... Componentes de la Socavación en Puentes
E. Socavación Total: se refiere a la suma del depósito y
remoción de los materiales del lecho a largo plazo, a
la socavación por contracción, a la socavación local
y la migración lateral.
Una vez calculados los componentes se representa
gráficamente mediante el Diagrama de Socavación
total. Fig. 11
Nota: La elevación superior de la fundación debe
estar por debajo de la mayor profundidad de
socavación, en el caso que estructuralmente haya
dado por encima de ésta.
8
7
6
5
Elevación (m)
4
3
2
1
UBICACIÓN DE
LA FUNDACIÓN
SEGÚN
CALCULO
ESTRUCTURAL
0
-1
-2
-3
UBICACIÓN DE
LA FUNDACIÓN
SEGÚN
CALCULO
HIDRAULICO
-4
-5
300
350
Distancia (m)
Socavación por Contracción.
+
Socavación Local.
Profundidad Máxima de Socavación.
400
450
Socavación Total.
Figura 11. Diagrama de Socavación Total