Este artículo se publica con la intención de compartir una recopilación estudiantil que necesariamente está sujeta a correcciones ortográficas, gramaticales, de forma  y de contenido.  Por este motivo debe considerarse como material en proceso de elaboración, aún no terminado.


INTRODUCCIÓN

"La socavación es el resultado de la acción erosiva del flujo de agua que arranca y acarrea material de lecho y de las bancas de un cauce, convirtiéndose en una de las causas más comunes de falla en puentes.

Un autor británico, Smith en 1976, estudió los casos de 143 puentes que habían fallado total o parcialmente, encontrando entre sus causas las siguientes: 1 falla debida a corrosión en las estructuras metálicas; 4 fallas debidas a fatiga de los materiales; 4 fallas debidas al viento; 5 fallas debidas a diseños inadecuados; 11 fallas debidas a terremotos; 12 fallas debidas a un procedimiento no adecuado durante la construcción; 14 fallas debidas a sobrecargas y choques de embarcaciones; 22 fallas debidas a materiales defectuosos y finalmente, 70 fallas debidas a que las profundidades de socavación en una o varias pilas, alcanzaron niveles inferiores a los que llegaban las cimentaciones de las mismas. Todo esto muestra la importancia de un buen análisis hidráulico para el diseño de puente. Parámetros como la creciente máxima esperada, la profundidad de flujo, características del lecho, forma, separación y dirección de las pilas, entre otros, se vuelven de gran relevancia."(XIII Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología, Cali – Colombia).

CONTENIDO

Para poder analizar el problema de la socavación en pilas de puentes, es necesario tener en cuenta las variables que influyen en el problema. Se ha demostrado que la profundidad máxima de socavación (ds) depende de los siguientes factores:

  1. Densidad del agua (r ).
  2. Velocidad de aproximación del flujo (V).
  3. Profundidad de flujo (Y).
  4. Diámetro medio de los sedimentos (D).
  5. Ancho efectivo de la pila (b).
  6. Aceleración de la gravedad (g).
  7. Viscosidad cinemática del fluido (n ).
  8. Gravedad específica del material del lecho (Gs).
  9. Desviación estándar de la gradación del material (s g).
  10. Forma de la pila (Kf).
  11. Alineamiento de la pila con la dirección del flujo.

Para el estudio de las pilas, éstas se clasifican según su tipo y la conducción de transporte de sedimentos.

Según el tipo, las pilas se clasifican en:

  1. Circulares.
  2. Rectangulares.
  3. Semicirculares.
  4. Biselada.

Según el transporte de sedimentos:

  1. Umbral de movimiento.
  2. Agua clara.
  3. Transporte generalizado de sedimentos.
  1. La profundidad de socavación alrededor de pilas de puentes se ve influenciada por el tipo de transporte de sedimentos, ya sea, Agua clara, Umbral de movimiento o transporte generalizado de sedimentos y es el parámetro (V/Vc) el que marca la diferencia, donde Vc es la velocidad crítica.
  2. El número de Froude es uno de los parámetros que mayor influencia muestra en el fenómeno de socavación local.
  3. No se encuentra una clara influencia del número de Reynolds. Ya que la mayor parte de las investigaciones han demostrado que Re no es un número relevante en el cálculo de la socavación, no se tiene en cuenta.
  1. Socavación en lecho móvil: Se presenta cuando hay transporte de sedimentos desde el lecho aguas arriba hasta el sitio del ponteadero, quedando por lo tanto parte de este sedimento atrapado en el hueco de socavación.
  2. Socavación en agua clara: Se presenta cuando no hay transporte de sedimentos desde el lecho aguas arriba, al sitio del ponteadero, por lo cual no hay reabastecimiento del hueco socavado.
    1.  

TIPOS DE SOCAVACIÓN

A. Socavación normal o general: Se entiende por socavación general el descenso del fondo de un río que se produce al presentarse una creciente y es debida al aumento de la capacidad de arrastre de material sólido que en ese momento adquiere la corriente, en virtud de su mayor velocidad.

La erosión del fondo de un cauce definido por el cual discurre una corriente es una cuestión de equilibrio entre el aporte sólido que pueda traer el agua a una cierta sección y el material que sea removido por el agua de esa sección y al aumentar la velocidad del agua, aumenta también la capacidad de arrastre.

B. Socavación en estrechamientos: Se entiende por socavación en estrechamientos la que se produce por el aumento en la capacidad de arrastre de sólidos que adquiere una corriente cuando su velocidad aumenta por efecto de una reducción de área hidráulica en su cauce. El efecto es muy importante en puentes, donde por lo común y por razones de economía suelen ocurrir las mencionadas reducciones, si bien puede presentarse en otros lugares del curso del río, en que un estrechamiento más o menos brusco tenga lugar.Los cambios que la presencia de un puente impone a la corriente son principalmente los siguientes:

    1. Cambio de la velocidad del flujo del agua en el cauce principal.
    2. Cambio en la pendiente de la superficie libre del agua, hacia arriba y hacia abajo del puente. Esto origina un mayor arrastre del material del fondo en la sección del cauce y, cuando ello es posible, un ensanchamiento del cauce.

C. Socavación en curvas: Cuando un río describe una curva existe una tendencia en los filetes líquidos situados más lejos del centro de curvatura a caminar más aprisa que los situados más hacia el interior; como consecuencia, la capacidad de arrastre de sólidos de los primeros es mayor que la de los segundos y la profundidad de erosión es mayor en la parte del cauce exterior a la curva que en la interior. El efecto es importante y ha de ser tenido en cuenta en la construcción de puentes en curvas de río o en el diseño de enrocamientos de protección en los mismos lugares pues al disminuir la velocidad la curva aumenta el depósito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el flujo del agua y al aumentar la profundidad y el área hidráulica, aumenta el gasto.

D. Socavación local en estribos: Desde el punto de vista de definición, la socavación local en estribos es análoga a la que se presenta en las pilas de los puentes, sin embargo, se le distingue por existir algunas diferencias en los métodos teóricos y aun experimentales para su evaluación.

E. Socavación local en pilas: 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.

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 para puentes, pues una falla seria de juicio en esta cuestión conlleva la destrucción total de la estructura o la adopción de profundidades antieconómicas y excesivas, que complican seriamente los procedimientos de construcción.

Los estudios realizados hasta la fecha permiten decidir que los parámetros que, en mayor o menor grado, influyen en la socavación local al pie de pilas de puente son los que se mencionan a continuación:

    1. Parámetros Hidráulicos:
      1. Velocidad media de la corriente
      2. Tirante frente a la pila
      3. Distribución de velocidades
      4. Dirección de la corriente respecto al eje de la pila
    2. Parámetros de Fondo:
      1. Diámetro de los granos
      2. Distribución granulométrica del material del fondo
      3. Forma de los granos
      4. Grado de cohesión o cementación
      5. Peso específico sumergido
      6. Estratificación del subsuelo
    3. Parámetros Geométricos:
      1. Ancho
      2. Relación largo-ancho
      3. Perfil de la sección horizontal
    4. Parámetros de ubicación del puente:
      1. Contracción en la sección
      2. Forma del río en planta
      3. Obras de control de gasto que se haya construido aguas arriba o aguas abajo.

Es interesante notar que para una misma pila, colocada en el mismo lugar, la socavación máxima producida no siempre se presenta en el mismo punto de la pila; depende de la velocidad del agua.

 

      RECOMENDACIONES

De los investigadores de todo el mundo interesados en este tema se emprendieron estudios para obtener mecanismos que redujeron en gran porcentaje la profundidad de equilibrio, de los cuales resultaron los siguientes datos:

  1. Diseño de la pila con formas biseladas con el fin de disminuir la zona de separación y la formación de la vorticidad causante de la socavación.

  2. Disposición de material granular resistente a la erosión en el lecho, cuyo diámetro medio se obtiene con la ecuación de la velocidad crítica.

  3. Ubicación de la pila en sitios donde el lecho tenga características de no erodabilidad.

  4. Reducción de vorticidad y corrientes secundarias. Esto se logra disminuyendo los agentes enrodantes como las fuertes corrientes secundarias en el flujo, que ocasionan el arrastre del material del fondo. Para lograr estas reducciones se utilizan elementos protectores no estructurales.

    1.  

      CONCLUSIONES

    2. La profundidad de socavación depende de variables hidráulicas como: Caudal, Profundidad del Flujo, y Velocidad, asumiendo dentro de la gran mayoría de las ecuaciones usadas para determinar dicha profundidad, como conocidas con certeza estas variables.
    3. Una posible causa de error en los cálculos de la profundidad de socavación se debe a que los parámetros de entrada se obtienen puntualmente y corresponden a valores representativos en el momento de la toma de muestras, pero no representan las variaciones que puedan ocurrir en el río a lo largo del tiempo.
    4. Las fórmulas de socavación local que están en función del número de Froude o de la velocidad y que no consideran el tamaño del sedimento, pueden sobrestimar la socavación en cauces de montañas y subestimarla en cauces de planicies.
    5. La socavación local en pilas de puente tiene un carácter creciente al principio y a medida que el tiempo transcurre el aumento de la profundidad de socavación, es más lento hasta llegar a la condición de equilibrio en el cuenco de socavación.
    6. La socavación local depende del número de Froude y en menor grado de Reynolds, ya que éste fenómeno está gobernado en su mayor porcentaje por fuerzas gravitacionales y no por fuerzas viscosas.
    7. Los elementos protectores diseñados con el fin de disminuir el efecto de la socavación local deben ubicarse en el nivel del lecho, ya que si son ubicados por encima del fondo, no representan una disminución considerable de la profundidad de socavación y en algunos casos puede incrementarla, debido a que en el fondo se genera un aumento de presión que causa dos corrientes, una ascendente y otra descendente.
    8. Para la pila circular está demostrado que a medida que el elemento protector se diseña con geometría más puntiaguda la efectividad contra la socavación del mismo es mayor.
    9.  

BIBLIOGRAFÍA

 

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

                                                                                                                                            Carlos Andrés Gaviria Sierra


___