Socavación en Obras Hidráulicas - Apuntes de Ingeniería Civil

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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS
TEMA : 
SOCAVACION EN OBRAS HIDRAULICAS
INGENIERIA CIVIL
SOCAVACION - DEFINICIÓN
Se entiende por socavación a la erosión o remoción de materiales del lecho de un cauce, provocada por la acción erosiva del flujo del agua alrededor de una estructura hidráulica. Socavación es la medida de la profundidad local del cauce. TODO AUMENTO DE LA VELOCIDAD Y LA TURBULENCIA PRODUCE SOCAVACIÓN
Velocidad + Turbulencia = Socavación
La socavación consiste en la profundización del nivel del fondo del cauce de una corriente causada por el aumento del nivel de agua en las avenidas, modificaciones en la morfología del cauce o por la construcción de estructuras en el cauce como puentes, espigones, etc. Comprende el levantamiento y transporte de los materiales del lecho del río en el momento de una avenida o creciente, o por la construcción de una obra dentro del cauce.
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Figura 1: Esquema general de un proceso de socavación ocasionado por la construcción de un puente.
La socavación se la relaciona con las fallas de las cimentaciones de puentes en todo el mundo, algunas de ellas catastróficas y con pérdidas de vidas humanas. Los puentes y otras estructuras representan una contracción del ancho del cauce y al presentarse un aumento en los caudales de la corriente, el aumento de la velocidad y la turbulencia en la contracción puede generar niveles de socavación de varios metros (Figura 1).
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Los materiales se socavan en diferentes formas:
Suelos granulares: Estos suelos se erosionan rápidamente
Suelos Arcillosos: Son mas resistentes a la erosión. Las profundidad máxima de socavación se alcanzara en horas para suelos arenosos, en tanto que puede tardar días en suelos cohesivos, meses en piedras areniscas, años en piedras calizas y siglos en rocas de tipo granito.
Es posibles que varias crecientes se requieran para que se produzca máxima profundidad de socavación dependiendo del tipo de material
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La socavación general, también conocida como socavación normal, consiste en una disminución generalizada del fondo por el aumento del arrastre de sedimentos debido al incremento de la capacidad de flujo (crecidas). La socavación del fondo se produce debido a un desequilibrio entre el aporte sólido que transporta el agua a una sección y el material removido. 
TIPOS DE SOCAVACION
1. SOCAVACION NORMAL O GENERAL
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PUENTE DE LA SOLIDARIDAD O TALAVERA
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La socavación local se produce debido a la presencia de estrechamientos, curvas o estructuras en la corriente de un río, lo que provoca un aumento en la intensidad del flujo capaz de remover el material del lecho. Este tipo de socavación afecta a una zona limitada, caracterizada por una fuerte turbulencia con desarrollo de remolinos y vórtices inducidos por la obstrucción al paso del agua. A continuación se describen las generalidades de la socavación local de acuerdo al tipo de obstrucción que se presente:
Socavación Local en Estrechamientos
Socavación Local en Curvas
Socavación Local en Pilas
TIPOS DE SOCAVACION
2. SOCAVACION LOCAL
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TIPOS DE SOCAVACION LOCAL
2.1. SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRECHAMIENTOS
Se presenta en los sitios del curso de un río donde exista un estrechamiento más o menos brusco. Por ejemplo, en los cimientos de un puente o en un estrechamiento natural a lo ancho del río. Derivada de la reducción del área de la sección transversal de un Río, la cual genera aumento de velocidad, cambio en la pendiente y por consecuencia mayor arrastre de sólidos.
Figura: Esquema de la contracción de un canal.
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Figura: Socavación por estrechamiento en el Puente Calicanto, en el margen derecho.
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2.2. SOCAVACIÓN LOCAL EN CURVAS
En las curvas de los cauces, se presenta una mayor velocidad en su parte exterior (parte cóncava), aumentando así, la capacidad de arrastre de sólidos y provocando una mayor profundidad de socavación en esta zona.
Figura: Socavación producido en la parte de la Carretera Central – Ambo, San Rafael.
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Figura: Puente Bella Unión – San Martin de Porras, Lima. Una de las bases del puente de concreto, que se usa en el sentido de norte a sur (“puente mellizo”), tiene apenas dos metros y medio de profundidad, debido a que ha sido socavada por la última crecida del río Rímac, situación que podría agravarse con la próxima temporada de lluvias prevista para fines de año.
2.3. SOCAVACIÓN LOCAL EN PILAS
El proceso de socavación alrededor de pilas de puentes es rápido, y se produce debido a la existencia de velocidades mayores alrededor de estas estructuras, provocando la formación de vórtices frontales, laterales y de estela detrás de la pila, los cuales constituyen la principal causa de este tipo de socavación.
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CÁLCULOS DE SOCAVACIÓN GENERAL
Líschtvan-Levediev (Maza, 1967) 
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Este es un método que permite el cálculo de la socavación general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no un puente. Si el método se aplica para la zona de un puente, quiere decir que se está considerando también el efecto de la contracción, y por lo tanto,éste no debe adicionarse.
Método de Lischtvan-Levediev
Este es un método que permite el cálculo de la socavación general del cauce durante crecientes independientemente de que exista o no un puente. Si el método se aplica para la zona de un puente, quiere decir que se está considerando también el efecto de la contracción, y por lo tanto, éste no debe adicionarse.
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Proceso de cálculo
Velocidad media real
= coeficiente de sección dependiente de las características hidráulicas
Vr = velocidad real del flujo
A = Beh
P = Be + 2h
R = h, asumiendo que el perímetro mojado es igual al ancho libre de la superficie del agua, lo
cual es válido para cauces muy anchos.
h = hm= A/Be
Considerando que el caudal permanece constante antes y después de ocurrida la socavación, se tiene:
Velocidad erosiva
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a) Para suelos granulares
La velocidad erosiva es la que levanta y mantiene el material en movimiento.
Ve = velocidad erosiva
β = coeficiente de frecuencia
Dm = diámetro medio de las partículas del material granular [mm]
z = exponente variable en función del diámetro medio de la partícula
β = 0.7929 + 0.0973LogTr
Tr = tiempo de retorno
z = 0.394557 − 0.04136LogDm − 0.00891Log Dm
b) Para suelos cohesivos
La velocidad erosiva es la que es capaz de poner las partículas en suspensión
γm = peso específico de la muestra agua sedimento [t/m3]
x = exponente variable que depende del peso volumétrico del material cohesivo seco
Determinación de la profundidad de socavación en suelos homogéneos
La profundidad de socavación en cualquier punto de la sección transversal se obtiene cuando la
velocidad media del cauce iguala a la velocidad erosiva (Vr = Ve). Conocido el perfil transversal
de la sección bajo el puente antes del paso de la avenida, se escogen algunos puntos en cuyas
verticales se desea conocer la profundidad de socavación. 
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a) Para suelos granulares
Hs y h [m]
Dm [mm]
β = coeficiente de frecuencia, 
μ = factor de corrección por contracción del cauce, 
 = factor de corrección por forma de transporte de sedimento
 = -0.54 + 1.5143γm, si γm > 1.0 t/m3
	Probabilidad anual (en %) de que se presente el caudal de diseño	Periodo de Retorno (T años)	Coeficiente 
	100	1	0.77
	50	2	0.82
	20	5	0.86
	10	10	0.90
	5	20	0.94
	2	50	0.97
	1	100	1.00
	0.3	333	1.03
	0.2	500	1.05
	0.1	1000	1.07
Tabla 1: Valores del coeficiente de contracción del cauce μ (Maza, 1967).
Tabla 2: Valores de β (Maza,1967).
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V = velocidad media en la sección transversal
μ = 1.0 si no hay obstáculos
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Hs y h [m]
γs
= peso específico del sedimento del lecho [t/m3]
β = coeficiente de frecuencia, (Ecuación 3.22)
μ = factor de corrección por contracción del cauce, (Tabla 3.1).
ϕ = factor de corrección por forma de transporte de sedimentos, (Ecuación 3.28).
b) Suelos cohesivos
Comentarios al método
· La hipótesis de partida del método de Lischtvan-Levediev relacionada con la conservación del
gasto durante el proceso erosivo, presenta el inconvenientede las diferencias en este proceso
cuando en el fondo del cauce existe una zona con un material más resistente que en el resto de la
sección. Esto hace que haya mayor concentración del flujo en las zonas del cauce que se van
erodando y que sea menor en las zonas resistentes.
· El método no tiene en cuenta el tiempo necesario para que cada material se erosione.
· Las erosiones teóricas calculadas se presentan en un tiempo corto en materiales sueltos pero se
requiere cierto tiempo para que el material cohesivo se socave, tiempo que puede ser mayor que
el tiempo de duración de la avenida
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Los factores que influyen en la socavación general y local, en un río son de origen geomorfológico, hidrológico, hidráulico y sedimentológico.
GEOMORFOLÓGICO
Las condiciones de borde (vegetación y tipo de suelo)
Sección transversal del rio (ancho del rio)
Ubicación del rio y topografía (pendiente longitudinal y pendiente de las laderas)
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FACTORES DE SOCAVACIÓN
FACTORES DE SOCAVACIÓN
HIDROLOGICO
La precipitación
La duración y la frecuencia de la crecida
HIDRAULICAS
El calado o tirante es la profundidad del flujo la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre del agua.
La viscosidad 
Velocidades ( velocidad de caída, velocidad media del flujo)
Caudal 
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FACTORES DE SOCAVACIÓN
SEDIMENTOLOGICAS 
Las variables sedimentológicas que influyen en la socavación son: tipo de sedimento, tamaño de las partículas y el caudal sólido.
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1.- TRANSPORTE DE SEDIMETOS
Es el traslado de los materiales erosionados desde la erosión hasta su deposito en una cuenca de sedimentación. Este transporte lo llevan a cabo los agentes geológicos externos en especial, es el agua.
TIPOS
Transporte selectivo .- En este tipo de transporte los agentes geológicos seleccionan los materiales que van a transportar según la masa y el tamaño de éstos.
Transporte no selectivo.-En este tipo de transporte todos los materiales se transportan por igual, sin tener nada que ver la masa o el tamaños de los mismos.
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PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACION
2.- EL NUMERO FROUDE (Socavación Local)
Es un coeficiente que relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y las fuerzas de gravedad que actúan sobre un fluido.
Para un valor dado de la velocidad de la corriente la profundidad adimensional aumenta linealmente al incrementar el numero de froude.
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PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACION
3.- FORMAS DE SOCAVACIÓN
Hay dos formas de socavación que se presenta en un cauce según que haya o no haya movimiento de sedimentos desde aguas arriba.
Socavación en lecho móvil
se presenta cuando hay transporte de sedimentos del lecho desde aguas arriba hasta el sitio del ponteadero y por lo tanto parte de este sedimento queda atrapado en el hueco de socavación. En este caso, la socavación alcanza equilibrio cuando la cantidad de material que es transportado iguala la cantidad de material que es removido. Le conoce también como socavación en lecho vivo.
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PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACION
Socavación en agua clara
se presenta cuando no hay transporte de sedimentos del lecho desde aguas arriba al sitio del ponteadero y por lo tanto no hay reabastecimiento del hueco socavado. En este caso, la socavación alcanza equilibrio cuando el esfuerzo cortante en el lecho es menor que el requerido para el inicio del movimiento de las partículas, o sea cuando el flujo no puede remover más partículas del hueco formado.
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PARAMETROS QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACION
La caída del puente Talavera en San Juan de Lurigancho
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APLICACION
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. Además, tiene gran influencia en la divagación de corrientes pues, al disminuir la velocidad en el intradós de la curva aumenta el depósito en esta zona y, por ello, disminuye la zona útil para el escurrimiento del agua. Por otro lado, en el extradós, al aumentar la profundidad y el área hidráulica, aumenta el gasto.
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SOCAVACIÓN EN CURVAS
ZONA DE ALTA VELOCIDAD (EROSIÓN)
ZONA DE BAJA VELOCIDAD (SEDIMENTACIÓN)
Para el cálculo de la profundidad media, Maza propone la siguiente relación:
 
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CÁLCULO DE EROSIÓN ALREDEDOR DE PILARES
MÉTODO DE LAURSEN Y TOSCH
El método considera dos casos en la determinación de la socavación en pilas, uno cuando la pila incide paralelamente al eje de pilas y otro cuando forma un determinado ángulo.
Primer caso So=K1K2b
Segundo caso So=K1K3b
Donde:
So= Profundidad de la socavación, en m.
K1= Coeficiente que depende de la relación que existe entre el tirante
 de agua después de que se presenta la socavación general “h” y 
 el ancho o diámetro de la pila.
K2= Coeficiente de corrección que toma en cuenta a la forma de la nariz
 de la pila
b= Ancho o diámetro de la pila, en m.
K3= Coeficiente que depende del ángulo ϕ que forma el eje de la corriente
 con el eje de la pila y de la relación que existe entre el largo (a) y el
 ancho (b) de la pila.
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CÁLCULO DE EROSIÓN ALREDEDOR DE PILARES
Coeficiente de corrección cuando existe un ángulo de incidencia entre el eje de la pila y la corriente.
Coeficiente de corrección que depende de la forma de la pila.
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CÁLCULO DE EROSIÓN ALREDEDOR DE PILARES
MÉTODO DE CARSTEN
La profundidad de socavación se calcula con la ecuación:
Donde:
Ns = número de sedimentos, en m; 
El valor usual de Δ para partículas provenientes del cuarzo es 1.65.
D : tamaño característico de las partículas.
	
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CÁLCULO DE EROSIÓN ALREDEDOR DE PILARES
MÉTODO DE BREUSERS, NICOLLET Y SHEN
La profundidad de socavación se calcula con la ecuación:
Donde:
ds = profundidad de socavación, en m.
a = ancho del pilar, en m.
V = velocidad media del flujo.
Vc = velocidad crítica para el inicio del movimiento de las partículas del fondo.
h = profundidad del agua.
Φ = ángulo de incidencia de la corriente respecto del eje del pilar 
l = longitud del pilar
	
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CÁLCULO DE EROSIÓN ALREDEDOR DE PILARES
* Las funciones f1, f2, f3, f4 se definen como sigue:
f1:
 = 0 para 
 = 2 para 
 = 1 para 
f2:
 = 
	
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f3:
 para pilares circulares o con punta circular
 para pilares de forma hidrodinámica
 para pilares rectangulares
f4:
El valor de este coeficiente es idéntico al coeficiente K3 del Método de Laursen y Tosch
 
Es análoga a la erosión local en pilares. Se la distingue por algunas diferencias en los métodos teóricos y experimentales de evaluación
METODO DE LIU, CHANG Y SKINNER
MÉTODO DE ARUNACHALAM (1967).
MÉTODO DE FROEHLICH (1991)
MÉTODO DE LA UNIVERSIDAD ESTATAL DE COLORADO (CSU) 
SOCAVACIÓN LOCAL
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METODO DE LIU, CHANG Y SKINNER
Este método se basa en las siguientes hipótesis:
El largo del estribo es menor que 25 veces la profundidad media del agua (L/h < 25)
El flujo es subcrítico
El Lecho del cauce es arenoso
Las ecuaciones deben ser ajustadas por un factor de corrección Kθ para considerar el efecto del ángulo de incidencia del flujo.
Los valores de las profundidades de socavación deben ser incrementados en un 30% cuando se presentan dunas en el cauce de aproximación al estribo.
ds - profundidad de socavación de equilibrio medida desde el nivel medio del lecho hasta el fondo del nivel de socavación, en m
h - profundidad media del flujo aguas arriba en el cauce principal, m
L - longitud del estribo y accesos al puente que se opone al paso del agua, en m
Fr - número de Froude en la sección de aguas arriba,V - velocidad media del flujo aguas arriba, en m/s
Kf - coeficiente de corrección por la forma del estribo
Kf = 1.1 para estribos con pared inclinada hacia el cauce
Kf = 2.15 para estribos con pared vertical
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ds = profundidad de socavación [m] 
q = caudal unitario aguas arriba del puente [m3 /s-m] 
a = ancho de la pila [m] 
Arunachalam realizó una modificación de la ecuación de Englis-Poona (1948) y propuso la siguiente expresión
MÉTODO DE ARUNACHALAM (1967).
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Una ecuación desarrollada por el Dr. David Froehlich es usada por el programa HEC-RAS (1998) como una alternativa a la ecuación de la Universidad Estatal de Colorado
ds= profundidad de socavación local [m] 
Kf = factor de corrección por la forma de la pila. 
a´ = ancho proyectado de la pila con relación al ángulo de ataque del flujo [m] 
a = ancho de la pila, adicionado como un factor de seguridad [m] 
h = profundidad del flujo directamente aguas arriba de la pila [m] 
Fr = número de Froude en la sección directamente aguas arriba de la pila 
D50 = diámetro de la partícula de lecho en una mezcla cuyo 50% es menor [m] 
Para pilas con punta circular alineadas con el flujo se tiene:
 ds ≤ 2.4a para Fr ≤ 0.8 
ds ≤ 3.0a para Fr > 0.8
	FORMA DE PILA	Kf
	Punta cuadrada
Pila con punta circular
Pila con punta aguda o triangular	1.3
1.0
0.7
Método de Froehlich (1991)
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La fórmula propuesta para encontrar la máxima socavación en una pila al paso de la corriente es:
Para pilas con punta circular alineadas con el flujo se tiene, al igual que en el método de Froehlich:
ds ≤ 2.4a para Fr ≤ 0.8 
ds ≤ 3.0a para Fr > 0.8 
ds = profundidad de socavación local [m] 
h = profundidad del flujo directamente aguas arriba de la pila [m] 
Kf = K1 = factor de corrección que tiene en cuenta la forma de la pila 
Kφ = K2 = factor de corrección que tiene en cuenta el ángulo de ataque del flujo
Kc = K3 = factor de corrección por la forma del lecho Usualmente igual a 1.1 
Ka = K4 = factor de corrección por acorazamiento del sedimento del lecho (Ecuación 3.70 y Tabla 3.11). Este factor fue introducido en la versión corregida de HEC-18 (1993) publicada en 1995.
a = ancho de la pila [m] l = longitud de la pila [m] Fr = número de Froude en la sección directamente aguas arriba de la pila gh V Fr = 3.68 
V = velocidad media del flujo directamente aguas arriba de la pila [m/s] 
Método de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) 
Formas dela nariz de una pila
Valores del coeficiente K1.
Valores del coeficiente K2.
Valores del coeficiente K3.
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VR = Razón de Velocidad
V1 = Promedio de velocidad en el cauce principal o el área de la llanura de inundación en la sección transversal justo aguas arriba del puente, m/s.
Vi50 = Velocidad más cercana requerida para iniciar la erosión en el pilar para el tamaño de grano D50 , m/s.
Vi95 = Velocidad más cercana requerida para iniciar la erosión en el pilar para el tamaño de grano D95 , m/s.
Vc50 = Velocidad crítica para el lecho de tamaño de grano D50 , m/s.
Vc95 = Velocidad crítica para el lecho de tamaño de grano D95 , m/s.
a = Ancho del pilar, en metros.
y = profundidad del agua justo aguas arriba de la pila, con exclusión de la socavación local, en metros.
Ku = 6.19 para Unidades del Sistema Internacional.
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SOCAVACIÓN TRANSVERSAL
Es la producida en una forma transversal a la sección, producto de una contracción del flujo. 
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Método de Lischtvan-Levediev
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El método no tiene en cuenta el tiempo necesario para que cada material se erosione. 
Las erosiones teóricas calculadas se presentan en un tiempo corto en materiales sueltos pero se requiere cierto tiempo para que el material cohesivo se socave, tiempo que puede ser mayor que el tiempo de duración de la avenida. 
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MÉTODO DE STRAUB
Permite calcular la socavación transversal a partir de las características hidráulicas de una sección inalterada (Ho y Bo), localizada aguas arriba de donde se presenta la contracción:
Donde: 
𝐻𝑡 = Profundidad de la lámina de agua en la sección reducida [𝑚] 
𝐻0 =Profundidad de la lámina de agua en la sección aguas inalterada [m] arriba 
𝐵𝑡𝑦⁡𝐵0 = Ancho de la superficie libre en las mismas secciones [𝑚]
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Con la finalidad de hacer un poco más precisa la fórmula anterior, Maza introduce el término de la relación que existe entre las pendientes antes y en la zona con contracción, modificando la fórmula anterior de la siguiente manera:
Los subíndices 1 y 2 son para indicar una sección inalterada aguas arriba y la sección alterada, respectivamente.
Donde:
dsm2 = Profundidad de la lámina de agua en la sección reducida [𝑚] 
dsm1 =Profundidad de la lámina de agua en la sección aguas ⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡arriba inalterada [m] 
B2 𝑦⁡ 𝐵1 = Ancho de la superficie libre en las mismas secciones [𝑚]
S2 𝑦⁡ S1 = Pendientes
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Calculo de la Socavación en Pilas 
La socavación al pie de pilas de puentes es uno de los problemas más frecuentes, tanto en el diseño como en el mantenimiento, que consiste en evaluar con precisión la socavación local que se registra en el fondo del cauce por la presencia de las pilas y estribos de un puente cuando no se logra el apoyo en un estrato rocoso, o en un material capaz de soportar los esfuerzos cortantes generados por la corriente. 
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El cálculo de la socavación local al pie de pilas o estribos, como parte del análisis de estabilidad de las estructuras, exige conocer las características del cauce y del flujo una vez que se hayan presentado y evaluado los otros tipos de socavación. 
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