Socavación en Obras Hidráulicas

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DISEÑO DE OBRAS 
HIDRAULICAS
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.
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1 2
3
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
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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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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.
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
𝑽𝒓 =
𝜶 ∗ 𝒉
𝟓
𝟑
𝑯𝒔
𝜶 = coeficiente de sección dependiente de las características hidráulicas
𝜶 =
𝑺
𝟏
𝟐
𝒏
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:
𝜶 ∗ 𝒉
𝟓
𝟑 ∗ 𝑩𝒆 = 𝑽𝒓𝑯𝒔𝑩𝒆
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
𝒆 𝒎
𝟎.𝟐𝟖
𝑺
𝒛
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
𝒆 𝒎
𝟏.𝟏𝟖
𝑺
𝒙
γm = peso específico de la muestra agua sedimento [t/m3]
x = exponente variable que depende del peso volumétrico del material cohesivo seco
𝒎 𝒎
𝟐
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
𝑺
𝟓
𝟑
𝒎
𝟎.𝟐𝟖
𝟏
𝟏 𝒛
= -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 𝜷
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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𝑺
𝟓
𝟑
𝒎
𝟏.𝟏𝟖
𝟏
𝟏 𝒙
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
· La hipótesis de partida del método de Lischtvan-Levediev relacionada con la conservación del
gasto durante el proceso erosivo, presenta el inconveniente de las diferencias eneste 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.
A. 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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A. HIDROLOGICO
 La precipitación
 La duración y la frecuencia de la crecida
A. 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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A. 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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 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.
 𝑭𝒓 = (𝑼 𝒐𝒏𝒅𝒂 + 𝐔(𝐜𝐨𝐫𝐫𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞))/
𝒈𝒙𝑫
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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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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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 La caída del puente Talavera en San Juan de Lurigancho
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 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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ZONA DE 
ALTA 
VELOCIDAD 
(EROSIÓN)
ZONA DE BAJA 
VELOCIDAD 
(SEDIMENTACI
ÓN)
Para el cálculo de la profundidad
media, Maza propone la siguiente
relación:
𝒄
𝟎.𝟐𝟒𝟒
𝒓𝒎
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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. 32
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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MÉTODO DE CARSTEN
La profundidad de socavación se calcula con la ecuación:
𝐬
𝐬
𝐬
𝟓/𝟔
Donde:
Ns = número de sedimentos, en m; 𝐍𝐬 =
𝐕
∆𝐠𝐃
; ∆ = 
𝝆𝒔 𝝆𝒘
𝝆𝒘
• El valor usual de Δ para partículas provenientes del cuarzo es 1.65.
• D : tamaño característico de las partículas.
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MÉTODO DE BREUSERS, NICOLLET Y SHEN
La profundidad de socavación se calcula con la ecuación:
𝐬 𝟏
𝐜
𝟐 𝟑 𝟒
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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* Las funciones f1, f2, f3, f4 se definen como sigue:
f1:
𝟏
𝒗
𝒗𝒄
= 0 para
𝒗
𝒗𝒄
𝟏
𝒗
𝒗𝒄
= 2
𝒗
𝒗𝒄
para
𝒗
𝒗𝒄
𝟏
𝒗
𝒗𝒄
= 1 para
𝒗
𝒗𝒄
f2:
𝟐
𝐡
𝐚
=
𝐡
𝐚
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f3:
𝟑 para pilares circulares o con punta
circular
𝟑 para pilares de forma hidrodinámica
𝟑 para pilares rectangulares
f4:
𝟒
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) 
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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
𝒉
= 𝑲𝒇
𝑳
𝒉
𝟎.𝟒
𝑭𝒓𝟎.𝟑𝟑
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, 𝑭𝒓 =
𝑽
𝒈𝒉
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 38
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
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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
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La fórmula propuesta para encontrar la máxima socavación en una pila al 
paso de la corriente es:
𝒔 𝟏 𝟐 𝟑 𝟒
𝟎.𝟔𝟓
𝟏
𝟎.𝟑𝟓
𝟏
𝟎.𝟒𝟑
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] 
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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Es la producida en una forma
transversal a la sección, producto
de una contracción del flujo.
45
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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.
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:
 = Profundidad de la lámina de agua en la sección reducida [ ]
 0 =Profundidad de la lámina de agua en la sección aguas inalterada [m]
arriba
 0 = Ancho de la superficie libre en las mismas secciones [ ]
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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 [ ]
 dsm1 =Profundidad de la lámina de agua en la sección aguas arriba inalterada [m]
 B2 1 = Ancho de la superficie libre en las mismas secciones [ ]
 S2 S1 = Pendientes
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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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