Socavación general y local en cauces naturales y artificiales

Socavación general y local en cauces naturales y artificiales

1. Velocidades medias de inicio de erosión.

El esfuerzo cortante crítico necesario para iniciar el movimiento de partículas en un lecho es función del diámetro de las partículas, y puede ser calculado de acuerdo al diagrama de Shields.

Por otra parte, la velocidad media necesaria para iniciar el movimiento de una partícula presenta la dificultad de ser función tanto del diámetro de las partículas como de la profundidad de la corriente. Esto lleva consigo el conocimiento de las características hidráulicas del flujo, de modo de poder estimar el inicio de la erosión generalizada del fondo durante una crecida, y cuando ésta cesa al alcanzar el estado de equilibrio.

La erosión generalizada antes mencionada, denominada socavación general o erosión de crecidas o avenidas, consiste en el descenso del fondo de un río durante el paso de una avenida, debido a la mayor capacidad de la corriente a transportar partículas en suspensión, sltación o deslizamiento. Este fenómeno adquiere importancia para el diseño de fundaciones de puentes, o para determinar la profundidad a la que deben ser enterradas, bajo el lecho de un río, tuberías como acueductos, oleoductos, gasoductos, etc. En la literatura especializada, la socavación general tiene un concepto más amplio.

En rigor, la erosión general debe tener lugar cuando la cantidad de partículas puestas en movimiento sea menor que la cantidad de partículas que transporta el flujo. Ante la imposibilidad de conocer datos sobre esta última condición, las fórmulas presentadas a continuación han sido obtenidas a partir de expresiones empíricas.

A continuación se muestran algunas fórmulas propuestas para determinar la velocidad media de una corriente para la cual la erosión general alcanza un estado de equilibrio, y el fondo del río ya no desciende. Esta misma velocidad media se considera que es la que inicia el proceso de erosión de fondo.

1. Ecuación de Lischtvan y Lebediev. Estos autores propusieron en 1959 la siguiente ecuación:

[pic 1]

donde        [pic 2]: velocidad media para la cual se inicia la erosión de fondo, en m/s

[pic 3]: tamaño de las partículas en el que 84%, en peso, es menor que ese tamaño, en m

[pic 4]: profundidad o tirante de la corriente, en m

[pic 5]: coeficiente que toma en cuenta la compacidad del estrato por ser erosionado, y es función del periodo de retorno [pic 6].

[pic 7]

Es válida para [pic 8], y para [pic 9] años, [pic 10].

Para materiales granulares, y con  [pic 11] m,

[pic 12].

Para materiales cohesivos, [pic 13] es función del peso volumétrico seco, [pic 14].

        2. Ecuación de Maza y Echavarría. Estos autores propusieron esta ecuación, a partir de los criterios de Hjulstrom, y de Lischtvan y Lebediev:

[pic 15]

Las velocidades medias obtenidas por esta ecuación son hasta un 20% mayores que la entregada por la ecuación de Lischtvan y Lebediev, cuando [pic 16] m, y tienden a ser iguales, para [pic 17] m.

3. Ecuación de Maza. Este autor, considerando válidos los resultados de la ecuación de Lischtvan y Lebediev, y tomando en cuenta la velocidad de caída de las partículas, propuso expresiones obtenidas de acuerdo a ecuaciones de resistencia al flujo, como la de Manning, y la de Cruickshank y Maza, que luego fueron relacionadas a partir de números adimensionales, con el fin de obtener una expresión más sencilla, finalmente, se obtuvo la siguiente ecuación:

[pic 18]

donde        [pic 19]: velocidad de caída de las partículas con diámetro igual a [pic 20], en m/s

        [pic 21]

        [pic 22]: viscosidad cinemática del agua, en m2/s

        [pic 23]: aceleración de gravedad, en m/s2

        [pic 24]: densidad relativa de las partículas sumergidas, [pic 25]

        [pic 26]: peso específico del agua y del lecho, respectivamente, en kgf/m3

        [pic 27];         [pic 28]

        Esta última ecuación de velocidad erosiva ha sido verificada dentro de los límites [pic 29] m, y para [pic 30] m.

2. Socavación local alrededor de pilotes de puentes (Chang, pág. 96).

En canales aluviales, la socavación local alrededor de pilotes de puentes, y otras obstrucciones son iniciadas debido a la interferencia entre el flujo y el transporte de sedimentos. El lecho erodable es deformado hasta alcanzar una configuración de socavación de equilibrio, en la cual la razón de sedimento adicionado al área de socavación es balanceada por la razón de transporte fuera de dicha área, esto es, [pic 31].

El transporte de sedimento a través de la zona o fosa de socavación es también afectado por los vórtices de la herradura, los cuales, como un movimiento turbulento, incrementan la movilidad de las partículas. La razón de sedimentos es una función inversa del tamaño de la partícula. Ya que la razón de sedimentos está fluyendo dentro y fuera del área de socavación, cambiando su tamaño aproximadamente en la misma proporción, la profundidad de socavación no es afectada significativamente por el tamaño del sedimento, por lo que está ausente en la mayoría de las fórmulas para socavación local.

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