cap1.3 - hidraulica fluvial

1Elementos de Hidrulica Fluvial

1. Introduccin2. Hidrulica de cauces naturales (generalidades)3. Propiedades de los sedimentos4. Resistencia hidrulica en cauces aluviales5. Arrastre incipiente de sedimentos no cohesivos6. Mecnica del transporte de slidos.7. Protecciones con enrocados (de fondo y en

taludes)8. Socavacin general y local

2Gasto lquido

Precipitaciones: son independientes, estadsticamente difciles

de predecir

Cuencas: pueden ser del tipo, pluvial, nival, glacial o mixto.

Caudales: son tambin variables aleatorias y responden a las

precipitaciones con la inercia de las cuencas, se pueden

manejar mejor estadsticamente.

Para manejar esta incertidumbre se usan estadsticas de un

nmero importante de aos que indiquen los regmenes entiempo y cantidad de las magnitudes de los caudales.

3Gasto Slido

Muchas Obras Hidrulicas tienen contacto directo

con los cauces naturales, tales como puentes,

canales, obras de captacin, CH, protecciones

fluviales, etc..etc, etc.

Estas obras tienen contacto con el caudal lquido

y tambin con las partculas de suelo arrastradas

desde ros y quebradas..

Este acarreo recibe el nombre de gasto slido,

diferencindose:

Gasto slido en suspensin

Gasto slido de fondo

5Gasto Slido

Gasto slido de fondo - GSF

Corresponde al movimiento de slidos en su fraccin ms

gruesa y se presente de dos formas como un arrastre

continuo o bien por saltacin.

Dado que las velocidades en los ros son ms lentas en

ciertas zonas, el GSF tiende a depositarse y formas bancos,

modificando la seccin de escurrimiento de los caudales

lquidos.

Tambin producen desgastes en canales y maquinarias y en

las presas pueden reducir fuertemente su vida til.

6Son mucho ms abundantes que el GSF pero son de gran

movilidad y pasan en general a travs de las estructurashidrulicas o bien se depositan pero son fcilmente

removilizadas, excepto en grandes estructuras como las

presas.

Pueden tambin producir abrasin en labes de turbinas y

bombas.

Gasto Slido

Acarreo en suspensin-GSS

Estas partculas se mezclan con

el caudal lquido formando una

mezcla que se mantiene por la

turbulencia del flujo.

7Elementos de Hidrulica Fluvial



8Hidrulica de los cauces naturales

Caractersticas de

los ros en Chile

9Hidrulica de los cauces naturales

Caractersticas de los ros en Chile

Ros de Cordillera:

Flujos torrenciales de alta pendiente (pozas-caidas), elevadas rugosidades y

cauces estrechos.

Estables morfolgicamente en sus brazos principales e inestables en sus

cauces secundarios (quebradas).

Generacin y transporte de gastos slidos, poca depositacin.

10


Ros de precordillera:

Flujos transcrticos de pendientemixta rugosidades variables y cauces

ms anchos.

Estables bajo caudales normales yvariables bajo crecidas.

Se produce un equilibriosedimentolgico entre los gastos

aportantes y erosivos. En crecidas, se

rompe el equilibrio temporalmente.

11


Ros de llanura y de baja pendiente:

Flujos ms tranquilos de pendientesuave rugosidades variables, cauces

anchos. Con terrazas laterales.

Relativamente estables y contendencia a la depositacin y

formacin de bancos de sedimentos y

deltas en la llegada al mar.

12

Elementos de Hidrulica Fluvial



13

Densidad tpica de los sedimentos= s= 2650 [kg/m3 ];

Densidad relativa:

Tamao caracterstico del sedimento: ds

Cmo se define ds ? ....Mediante cribas

y una curva granulomtrica

65,21

65,2ss

Nombre de la clase Rango de tamao. [mm]

Arcilla ds < 0,002 a 0,004

Limo 0,002 a 0,004 < ds

14

Curva granulomtrica:

15

Dimetros y parmetros caracteristicos

n

nn

mPPP

PdPdPdd

.....

.....

21

2211

xd : Dimetro asociado a un porcentaje que pasa igual a x%.

10

90

d

dSCoeficiente de forma:

Desviacin Estndar de la muestra:16

84

d

dg

ngulo de reposo, a mayor ds, mayor ngulo:

16

Velocidad de Sedimentacin

Para una partcula de dimetro ds que cae verticalmente en un

estanque con una velocidad 0, e tiene:

02466

2

0

233

g

dC

dd sd

ss

s

)1(3

40 s

C

gd

d

s

17

Velocidad de Sedimentacin.

),( 0 formad

fC sd

5,124

0 s

dd

C000.100 s

dPara arenas y gravas:

2/3

3/2 1)24

(e

dR

C

0 real= 0 terico?..casi 0 es afectado por concentracin de sedimentos en el flujo y por la turbulencia.

dsmm

0,05 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500

0cm/s

0,22 0,85 2,7 7,1 11 17 27 39 54 85 120 170 270

Cheng-1997:

Cd?

18




19

Velocidad Friccional o de Corte

Flujo Uniforme: Peso = Roce

*Vol*sen = 0 * rea en que se ejerce el esfuerzo*A*L*sen = 0*Pm*L

*(A/Pm)*sen = 0=> 0= Rh sen

Resistencia hidrulica en cauces aluviales

20

Velocidad Friccional o de Corte

vf

v *8

0*

Flujo Uniforme: => 0= * Rh * sen ; i = seno = J

0= * Rh * J (*)

Expresando J segn Darcy Weisbach , J = (f/D)*(V2/2g)Con Dh = 4*Rh, queda J = (f *V2)/(8*Rh*g) (**)

Con (*) y (**) se tiene:

0= ( *g) * Rh * (f *V2)/(8*Rh*g)

0 = ( * f * V2)/ 8

0 / = (f * V2)/ 8, aplicando raz

(Def. velocidad friccional o de corte)

Ecuacin de Chezy

SRCv h ** JRgv h0

*

g

C

v

v

*

SRn

v h **1 3/2

JRgv h0

*

gn

R

v

v h6/1

*

Ecuacin de Manning

Resistencia hidrulica en cauces aluviales.

Desarrollo general

2** vC fo JRgv h

0*

fCv

v 1

*

gn

R

g

C

fCv

v h

f

6/181

*

Relaciones entre coeficientes de rugosidad

Es de inters conocer el parmetro velocidad media (v)sobre la velocidad de corte (v*), ya que tiene implicancias en:

Determinacin de una ley de resistencia hidrulica

Implicancias en la distribucin de velocidades

Es de importancia conocer la distribucin de velocidades en lavertical en distintas condiciones de flujo (laminar, turbulento)y tipo de pared (lisa o rugosa).

En flujos en cauces naturales, normalmente se tiene flujoturbulento y pared rugosa.

23

Distribucin velocidades en un curso fluvial

)ln( 21* S

h

k

RKK

v

v

Con v = Velocidad media, se tiene:

Existen diversas expresiones basadas en datos empricos querelacionan la altura de escurrimiento, los sedimentos delcauce, la velocidad media y la velocidad de corte.

Ley logaritmica de velocidad media (Keulegan, Limerinos, etc.)

4

3

*

)( K

S

h

k

RK

v

vLey de potencia para la velocidad media

1)/(*

1

*

6/16/1

shs

f

dR

gn

d

Cv

v

Definiendo como St, segn la ecuacin de Strickler:

6/1

s

td

gnS

)/1(

6/1

t

s

Sg

dn

1,26

6/1

sdn

Strickler, propuso St = 0,12

=>gn

d

Ss

t

6/11

*

)/(*1

6/16/1

v

v

dR

gn

d shs

St

gn

R

Cv

v h

f

6/11

*

Efectuando el desarrollo en trminos del coeficiente de Manning (n), se tiene:

6/1

6/1

s

s

d

d

Nmero de Strickler

ds: tamao representativo de las fracciones ms gruesas del lecho, por ej: d90

Continuando con la relacin propuesta por Strickler:

6/1

sdSnds es el material

representativo del material

En ros de granulometras gruesas y extendidas, como los

chilenos, se produce un fenmeno llamado acorazamiento por

lo que:

8490 ddd s6/1

90038,0 dn

)/1(

6/1

t

s

Sg

dn

)/1(

1

tSgS

Otras relaciones utilizando el parmetro St:

Strickler St = 0,12

Keulegan )12(

1

)/( 6/1

s

h

sht

d

RLn

k

dRS

Fuente: Nio, 2005.

Sedimento Grueso:

Parker & Paterson (1980) )5,5(46,2

)/( 6/1

s

h

sht

d

RLn

dRS

Fuente: Nio, 2005.

Limerinos (1970) )8,3(5,2

)/( 6/1

s

h

sht

d

RLn

dRS

Rh/ds< 10

ds=d90

Rh/ds< 10

ds=d84

Ayala & Oyarce (1993)57,0

6/1

)(3,3

)/(

s

h

sht

d

R

dRS

28

Para Cauces Cordilleranos , Ayala y Oyarce determinaron:

5,0

*31,0 hS6,2*h

7,0

*19,0 hS6,2*h

90

* 1d

hh (h*

29

Mtodo CowanCorreccin del Coeficiente de Manning por diversos factores

n: representa el valor a utilizar en el clculo de los EH

mnnnnnn )( 43210

0n = valor bsico del coeficiente de rugosidad para un tramo recto y uniforme.

1n = incremento por irregularidades de las secciones.

2n = incremento por variaciones de forma y dimensiones de las secciones.

3n = incremento por obstrucciones.

4n = incremento por vegetacin en el cauce.

m = factor correctivo por curvas y meandros del ro.

n0 se obtiene sobre la base de antecedentes granulomtricos

y una frmula tipo Strickler o mediante el uso de fotografas:

Caractersticas de la canalizacin Caractersticas. Valor medio del coeficiente n.

Material del lecho: n0 Tierra 0,020

Roca cortada 0,025

Grava fina 0,024

Grava gruesa 0,028

Grado de irregularidades: n1 Suaves 0,000

Pocas 0,005

Moderadas 0,010

Severas 0,020

variaciones de la seccin: n2 Graduales 0,000

Ocasionales 0,005

Frecuentes 0,010 0,015

Mtodo de Cowan

31

Caractersticas de la canalizacin

Caractersticas. Valor medio del coeficiente n.

Obstrucciones: n3 Despreciables 0,000

Pocas 0,010 0,015

Muchas 0,020 0,030

Severas 0,040 0,060

Vegetacin: n4 Poca 0,005 0,010

Regular 0,010 0,025

Mucha 0,025 0,050

Gran cantidad 0,050 0,100

Curvas: m Pocas 1,00

Regular 1,05

Muchas 1,10

32

Clculo de un EH Natural Coeficientes de Transporte

La principal diferencia con los canales es la gran

variabilidad de la forma de las secciones y de los tipos de

materiales que componen el lecho.

Clculo manual:

Uso de los coeficientes de transporte

Clculo con softwares:

HEC RAS, WMS, RiverCad, Flowpro.

33

Clculo de un EH Natural

Coeficientes de Transporte

En todas las subsecciones se considera el mismo nivel de

aguas (Zaguas), nivel de energia (ZB,Bernoull) y plano de

carga J.

34

Siendo i el subndice de cualquier seccin i del cauce se tiene

que el caudal total Qp que escurre por el cauce sera:

ip QQ

3/23/2

33

33

3/2

22

22

32

11

11

hii

ii

hhh

RA

Qn

RA

Qn

RA

Qn

RA

QnJ

i

hii

in

RAJQ

3/2

El caudal de la subseccin i sera:

El radio hidrulico de la seccin i sera (li= ancho superficial):

i

i

hil

AR

ii

i

inl

AJQ

3/2

3/5

ii

i

hinl

AK

3/2

3/5

35

Agrupando las variables fsicas de la seccin, surge el concepto

de coeficiente de transporte:

hip KJQ

hih KK

2)(h

p

K

QJ

A

Qv

p

36

Clculo de un EH Natural

g

vzzB

2

2 ))(( 3

A

A

v

v ii

32 )()(h

hi

i K

K

A

A

)(2

1221

21 xxJJ

zz BB

Importante, previamente analizar:

El posible rgimen del ro: subcrtico o supercrtico o mixto?Existen secciones de control naturales?Dnde encontrar datos de los sedimentos?Es posible visitar y recorrer el cauce?

Nivel de Energa:

37

Clculo de un EH Natural => HEC RAS

Bajarlo de (gratis):

http://www.hec.usace.army.mil/

38

Medicin del EH en un Cauce Natural

Como estoy seguro de que el n de Manning estimado sobre la base

de antecedentes granulomtricos (Strickler, Bray, Limerinos, etc.)

representa la realidad?

- Al ejecutar perfiles batimtricos ( topografa del cauce) debo medir

simultneamente el nivel de escurrimiento (pelo de agua) y

medir el caudal pasante (aforos).

- Sobre la base de antecedentes de terreno puedo calcular el EH en

el tramo de inters segn lo siguiente:

Coeficientes de rugosidad de referencia (no+Cowan, calicatas) Caudal pasante (aforo) Geometra de la seccin (perfiles batimtricos) Condicin de borde :subcrtico o supercrtico o mixto?

- Se compara el EH calculado y el medido en terreno => Puedo

ajustar (calibrar) los coeficiente de rugosidad

=> Los n calibrados son representativos del lecho del cauce enanlisis y pueden ser utilizados para otros caudales.

39




40

Transporte de Sedimentos

Condicin de arrastre incipiente

Segn Eje X:

Segn Eje Y:

Fr = * N

Ws: peso de la partculads: dimetro de la partcula Fa: fza. de arrastreFs: fza. de sustentacinFr: fza. de roce: coef. de roce

N: fza. Normal: ngulo de inclinacin del lecho

uf : velocidad del fluido en el entorno de la partcula

Reemplazando (*) y ordenando se obtiene:

Usando una ley de potencia para u(y)

y = ds /2

2/1

)(

)cos(

3

4

LD

f

CC

sen

gRds

u

CD: coef. de arrastreCL: coef. de sustentacinR: densidad especifica sumergida del sedimento,

(*)

Estabilidad de enrocados

Definicin del criterio del esfuerzo de corte crtico

Criterio del Esfuerzo de Corte Crtico

Considerando una ley logartmica de velocidades para paredhidrodinmicamente rugosa e y= ds/2 (u = uf ) se obtiene:

77,6

)15(1

)30

(1)(

*

*

*

u

u

Lnku

u

d

yLn

ku

yu

f

f

s

2

2

*

2

77,6

)(

)cos(

3

4

)(

)cos(

3

4

LD

s

LDs

f

CC

sen

dRg

u

CC

sen

dRg

u

c

sdRg

u*

2

*

Definicin esfuerzo de corte crtico adimensional ( *c)

035,0

77,6

)34,084,04,0(

)0184,0(

3

4

34,085,0

4,0

0 ,1

84,040

*

2*

c

c

L

D

L

D

CC

C

C

senCospequeo

tg

Empricamente:

045,0

06,003,0

*

*

c

c

44




45


Movimiento incipiente de las partculas de fondo

Criterio experimental del esfuerzo de corte crtico

Sea el esfuerzo de corte que el

lecho de dimetro caracterstico ds ejerce sobre el flujo ,

se define un esfuerzo adimensional como:

Si la velocidad aumenta gradualmente, el movimiento de

las partculas se producir cuando el valor del esfuerzo de

corte sobrepase un cierto umbral crtico:

2

*0 vJRh

s

h

s dR

JR

dgs

*

)1(0

*

c)( **

46

De acuerdo a Shields, este esfuerzo de corte crtico, en una

superficie horizontal, dependera de:

)()()( ***s

c

dvfRf

Flujo R* c

Turbulento de pared lisa < 4 a 5 035,0c

Turbulento de transicin 5 a 75-100 04,0)(030,0 c

T. plenamente rugoso > 75-100 060,0)(04,0 c

)77,17exp(06,022,0 6,06,0* ppc RRBrownlie (1981):

sdvR **

3

s

p

dRgR

47

Criterio Experimental del esfuerzo de corte crtico

Grfico de Shields terico

3

2Rd

32

)1( gsdd s

sS

48

Correccin por pendiente y tipo de material.

s

s

sen

sen )(!Van Rijn (1993):

Chiew-Parker(1994): stan

tan1cos!

En que:

)(pendientearcsen

reposodengulos

49

Inicio del Movimiento en Suspensin

Criterios empiricos 0

vValor crtico

Referencia Criterio Nota

Bagnold (1966) 1

0

v

Criterio dado por Van Rijn (1993)

Van Rijn (1984)

d

v 4

0

101 d ( 50dd s )

4,0

0

v

10d

Raudkivi (1990) 5,0

0

v

Regla del dedo pulgar

2,1

0

v

Suspensin dominante

Julien (1995) 2,0

0

v

Inicio de la suspensin en un flujo turbulento

5,2

0

v

Suspensin dominante

Sumer et al. (1996) 2

)1(

2

sgds

v

Observacin experimental en una capa de flujo. 0,13

50

10

v

51


Inicio del Movimiento de Fondo

Frmulas Empricas

ss d2010

52

Gasto Slido de Fondo

Frmulas Empricas

Gasto volumtrico por unidad de ancho: sq en [m3/s/m]

Gasto slido msico: sm en [kg/s/m] o [kg m/s/m]

Gasto slido en peso del material sg en [N/s/m] o en [kgp/s/m]

Gasto slido pesado bajo agua.: 'sg

2/30

3)188,0

)1(

4(

)1( ss

s

gdsgds

q

Existen muchas frmulas para estimar el gasto slido de fondo, una

de la ms utilizadas es la de Meyer-Peter Mller de1951:

qs: gasto solido de fondo (m3/s/m)S=densidad relativa s/o: esfuerzo de corte (N/m2)

ds: tamao representativo del material del lecho = d50 (m)densidad del agua (kg/m3)

2/3

** )047,0(8sq

Gasto Slido de Fondo

Mtodo Einstein

))1(

()1( 0

3

s

s

s gdsFgds

q

10)1( 3s

s

gds

q

1,25 < S < 4,25 ;0,315 mm < ds < 28,6 mm

ds corresponde a d35 o d45

qs: gasto solido de fondo (m3/s/m)S=densidad relativa s/o: esfuerzo de corte (N/m2)

ds: tamao representativo del material del lecho (m)densidad del agua (kg/m3)

Rango de aplicacin

Mtodo Einstein

55

Transporte de

Sedimentos

Gasto Slido de

Fondo

56

Protecciones con Enrocados

57


Pueden ser sueltos o consolidados

(conglomerados con hormign)

58


Se especifican por su dimetro, espesor de capa y/o su

peso crtico.

59


Formulacin terica

Superficies

Horizontales

sc dsg )1()(0

hDh 4

g

vfg

8

2

max

0

3/1)(113,0h

df s

6/1

max )()1(2113,0

)(4

s

s

c

d

hdsgv

Se recomienda usar *c = 0,03 (Shields-Parker)

60

Protecciones con enrocados de Fondo

Frmulas Experimentales

Frmula de Isbash. (Hydraulic Design Criteria USACE)

cos)1(2:max sdsgKv

K = 0,86 se recomienda usar en casos en que existe un alto nivelde turbulencia. Por ej: , aguas abajo de disipadores de energa.

K = 1,2 se recomienda usar en casos en que existe un bajo nivelde turbulencia. Por ej: para analizar el cierre de un ro para laconstruccin de una obra de desviacin.

Vmx: velocidad mxima del escurrimiento (m/s)K : constante que depende del tipo de enrocadoS=densidad relativa s/ds: tamao representativo del material del lecho (m)

densidad del agua (kg/m3)

61

Frmula de C.R. Neill (1968).

3/1max )()1(2h

ds

gh

VF s

F = Nmero de Froude del escurrimientoVmx: velocidad mxima del escurrimiento (m/s)h : altura de escurrimiento (m)S=densidad relativa s/ds: tamao representativo del material del lecho (m)

densidad del agua (kg/m3)

6/1

max )()1(2s

sd

hdsgv

Otra forma de expresar la frmula de Neill

Estabilidad de Enrocados

nm

rcds

hRkF )()(cos

3/1)()1(2h

dsF s

Frmula de Neill

Frc = Nmero de Froude del escurrimientok , m y n= constantes que dependen de cada frmula (autor)

: ngulo de inclinacin del lecho ()R=densidad relativa sumergida s/h : altura de escurrimiento (m)ds: tamao representativo del material del lecho (m)

63

Laboratorio hidrulica - U. de ChileFlujos Macrorugosos.

6,2h 2867,22/1 )()

)1((225,3

sd

hh

g

sKF

6,2h 2367,22/1 )()

)1((263,5

sd

hh

g

sKF

K = 0,02 Las piedras individuales del enrocado estn absolutamente inmviles.

K = 0,06 Hay movimiento generalizado de las piedras

sd

hh 1*

Protecciones con enrocados de Fondo

Frmulas Experimentales

F: Numero de Froude del escurrimientoK: constante que depende del tipo de estabilidad requeridoS: densidad relativa s/h: altura de escurrimiento (m)ds: tamao representativo del material del lecho (m)

64

Protecciones con enrocados en taludesFrmulas experimentales. Lopardo - Estelle

4/126/1

13,1)1( sen

sen

d

h

dsg

vF

ss

s

679sd

h

Fs: Numero de Froude densimtrico del escurrimientoV: velocidad del escurrimiento (m/s) S: densidad relativa s/h: altura de escurrimiento (m)ds: tamao representativo del material del lecho (m): ngulo de inclinacin del talud (): ngulo de reposo del material ()

Rango de aplicacin

65

California Divisin of Highways

2/1)(92,1 senFs

Protecciones con enrocados en taludesFrmulas Experimentales

Frmula de Stevens y Simons.

6/122

)()/('

cos')(58,1

s

sd

h

tgtgS

StgtgF

S es un factor de seguridad

Fs: Numero de Froude densimtrico del escurrimientoS: factor de seguridadh: altura de escurrimiento (m)ds: tamao representativo del material del lecho (m): ngulo de inclinacin del lecho (): ngulo de reposo del material ()

66

Usualmente en

taludes

Q ->

Pata flexible

Protecciones con Gaviones

67

Usualmente

en taludes

Para cauces menores y con poca capacidad de arrastre de

bolones o rocas. Se calculan estructuralmente como un muro

de contencin.

Protecciones con Gaviones

68




69

Socavacin =

Socavacin General + Socavacin local

En un cauce fluvial hay circunstancias que producen unasocavacin general del fondo del cauce, por ejemplo:

- Estrechamiento provocado por una obra hidrulica- Desequilibrio entre la capacidad de acarreo y el materialdisponible en el lecho del ro (degradacin que ocurre en elro aguas abajo de una presa o barrera que evita el trnsitode los materiales de fondo).

En el proyecto de una obra hidrulica directamenterelacionada con el cauce fluvial, es necesario analizar laposibilidad de algn grado de erosin en el lecho quepodra afectar la fundacin de la obra.

70

En un tramo de ro tendrn lugar simultneamente entradas ysalidas de material sedimentario, ambos trminos crecientes conel caudal lquido. El signo del balance de entradas salidas esel factor determinante en la evolucin del lecho del ro.

+ : depsitos en el tramo- : habr erosin.0 : condicin de equilibrio

Socavacin General. Equilibrio sedimentolgico

En las zonas propensas al desajuste, durante una crecidaaumentan los fenmenos de erosin y depositacin.Posteriormente, durante la recesin, el proceso es inverso y aldescender las aguas, el fondo tiende a su configuracin original,rellenando las socavaciones y barriendo los depsitos singulares.

71

La socavacin que se produce en torno a un obstculo situadoen una corriente lquida se denomina socavacin local yes el resultado directo de las alteraciones del flujo producidopor el obstculo o la estructura hidrulica.

Socavacin Local

Falla del estribo de un puente Flujo alrededor de la pila de un puente

72

Socavacin general

Criterio del USBR

Donde:

Sg : degradacin del lecho (m)yc: espesor de la capa de acorazamiento (m)Si Dc < 50 mm yc = 0,15 mSi Dc >= 50 mm yc = 3 * DcDc: tamao mnimo de los granos que formarn la capa de lacoraza.pc: porcentaje (en peso) del sedimento que tiene un tamao igual omenor que Dc.

Se recomienda su uso en lechos con abundante material grueso loque permite el acorazamiento del lecho.

Sg = yc * pc / (1 pc))Sg

yc

y

h

73

Socavacin general. Mtodo de Lischtvan Lebediev

Sedimentos no - cohesivos

hs: altura del escurrimiento incluyendo la socavacinho: altura del escurrimiento de la franja: coef. que depende del perodo de retorno del caudal de diseo (Qd)

dm: dimetro medio del sedimento obtenido de la curva granulomtricas: peso volumtrico del material seco (ton/m3):coef. que considera influencia del sedimento en suspensin

x: parmetro de la frmula de arrastre crtico: coef. de conduccin hidrulica obtenido de aplicar la frmula de Manning

a la seccin contradaB: ancho medio de la seccin contrada: coeficiente de contraccin debido a la presencia de pilas

1

1

28,0

3/5

)68,0

( x

m

o

d

hhs 1

1

18,1

3/5

)60,0

( x

s

ohhs

Sedimentos cohesivos

3/5hB

Qd

Para cada franja se determina la profundidad mxima de socavacin (hs) de acuerdo con las relaciones siguientes:

Si se consideran subsecciones, el clculo de debe hacerse independientemente para cada subseccin.

74

Suelos no cohesivos

(granulares)

Suelos cohesivosx

sse hv18,160,0

x

sme hdv28,068,0

TR dm[mm] X dm[mm] x dm[mm] x

1 aos 0,77 0,05 0,43 8 0,35 140 0,27

2 0,82 0,15 0,42 10 0,34 190 0,26

5 0,86 0,50 0,41 15 0,33 250 0,25

10 0,90 1 0,40 20 0,32 310 0,24

20 0,94 1,5 0,39 25 0,31 370 0,23

50 0,97 2,5 0,38 40 0,30 450 0,22

100 1,00 4 0,37 60 0,29 570 0,21

500 1,05 6 0,36 90 0,28 750 0,20

1000 1,07

s [t/m3] x s [t/m

3] x s [t/m

3] x

0,80 0,52 1,04 0,43 1,46 0,34

0,83 0,51 1,08 0,42 1,52 0,33

0,86 0,50 1,12 0,41 1,58 0,32

0,88 0,49 1,16 0,40 1,64 0,31

0,90 0,48 1,20 0,39 1,71 0,30

0,93 0,47 1,24 0,38 1,80 0,29

0,96 0,46 1,28 0,37 1,89 0,28

0,98 0,45 1,34 0,36 2,00 0,27

1,00 0,44 1,40 0,35

Shh os os hhS

mezcla 1,05 1,1 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40

1,08 1,13 1,20 1,27 1,34 1,42 1,50 1,60

Valores de :en funcin del peso especifico de la mezclaagua - sedimento

hs: altura del escurrimiento incluyendo a socavacinho: altura del escurrimiento de la franjaS: socavacin general

Coeficiente de contraccin debido a la presencia de pilas

Sin obstculos =1

Socavacin General

Mtodo de Neill (Guide to Bridge Hydraulics (1973))

Mtodo de la velocidad competente.

La velocidad media en la subseccin correspondiente del cauce,que no genera socavacin general del lecho (similar aLischtvan-Lebediev).

Si la velocidad del escurrimiento supera a la velocidadcompetente, el cauce se erosiona hasta que la velocidaddisminuya al valor correspondiente a la velocidad competente.

Segn Neill el mtodo es conservador si el escurrimientoarrastra una cantidad apreciable de gasto slido.

Procedimiento de Clculo.

- Se determina la velocidad media (v) y profundidad media (h)para el caudal de diseo suponiendo que no hay erosin en laseccin transversal, paralelamente se obtiene el tamao medio delmaterial del lecho (d50). Seccin compuesta se divide ensubsecciones.

- La velocidad competente se determina del grfico de Neill paramaterial no cohesivo y de la tabla si el material es cohesivo.

- Si v > velocidad competente => Existe socavacin generalizada.(lecho de granulometra extendida se recomienda usar d80 paratomar en cuenta el acorazamiento)

- La socavacin general se determina por aproximacionessucesivas, adoptando una seccin (o subseccines) transversalsocavada, tal que v = velocidad competente.

0,1

1

10

0,1 1 10 100 1000

ds [mm]

Ve

locid

ad

co

mp

ete

nte

[m

/s]

h = 1,5 m h = 3,0 mh = 6,0 m h = 15 m

h [m] Material fcilmente

erosionable. [m/s]

Material medio.

[m/s]

Material muy

resistente. [m/s]

1,50 0,60 1,00 1,80

3,00 0,65 1,20 2,00

6,00 0,70 1,30 2,30

15,0 0,80 1,50 2,60

Mate

rial N

o C

ohesi

vo

Material Cohesivo

79

SOCAVACIN LOCAL

Producida por la existencia de una obra hidrulica en un cauce

fluvial no revestido, como por ej.: pilas, estribos, a la salida de

radieres de hormign, saltos de esqu, etc.

Falla del estribo de un puenteErosin de pilas de un puente

80

Socavacin aguas abajo barrera mvil. Bocatoma Laja Sur.

VIII regin.

Socavacin aguas abajo Salto de Esqu de una presa.

81

Factores que influyen en la

socavacin local de pilas:

- Forma de la pila,

-Condiciones del flujo (h,v) aguas

arriba.

- Mecnismo de arrastre de

sedimentos

- Granulometra del material del

lecho,

- ngulo de ataque, etc.

82

Socavacin local en Pilas

En su publicacin Diseo Hidrulico de Puentes, el Prof. Luis

Ayala seala que la mayor parte de las frmulas

experimentales propuestas son la de la siguiente forma:

Donde:

S: socavacin

B: ancho de la pila

H: altura de escurrimiento (Fc =Vc/(g*h)1/2)

FC: N de Froude crtico de arrastre de sedimento

F: N de Froude del escurrimiento

Se distinguen tres casos: Socavacin sin arrastre, con arrastre

crtico y con arrastre generalizado.

),,(1 FFb

h

b

scs

83

Conceptos Generales

10%

84


Velocidad Crtica de arrastre

Neill (1967)

Hincu (1965)

2/1)(03,2D

h

hg

Vc

10/3)(54,1D

h

hg

Vc

85

Frmulas para estimar la socavacin sin arrastre (F / Fc < 1)

86

Frmulas para estimar la socavacin con arrastre crtico

(F / Fc ~ 1)

*=0,060 si Re*400*=f (grfico de Shields si Re*

87

Frmulas para estimar la socavacin con arrastre crtico

(F / Fc ~ 1)

*=0,060 si Re*400*=f (grfico de Shields si Re*

88

Frmulas para estimar la socavacin con arrastre generalizado

(F / Fc 1)

** Se propone utilizar esta expresin cuando adems se cumpla:

89CI 51B

Socavacin Local en Pilas

Desde 1940 muchos autores han efectuado estudios de socavacin,

fundamentalmente en lechos de arena.

90

Mtodo HEC 18

Mtodo de la Federal Highway Administration (2001)

91

K1Factor de Correccin por forma

de la Pila

92

K2Factor de correccin

por ngulo de ataque

K3

Factor de correccin por cond. movimiento)

K4

(tamao del material del

lecho)

Vic Dx = Velocidad critica para erosin incipiente for sedimento de tamao Dx

Vic Dx = Velocidad critica movimiento incipiente para sedimento de tamao Dx

Ku = 6,19 (SI)

Kw : factor de correccin por pilas muy anchas)

Se usa Kw, si:

-Altura de flujo / ancho pila < 0,8

-Ancho pila / Dmedio > 50 y

- Nmero de Froude < 1


Mtodo de Melville (1997)

Incorpora el concepto del acorazamiento (armoring).Ver detalles en Cap. 10.

Diyas KKKKKy 21

95

SOCAVACIN LOCAL EN ESTRIBOS

96

Socavacin local en Estribos

En su publicacin Hidrulica de Puentes, el Prof. Luis Ayala

seala que la mayor parte de las frmulas experimentales

propuestas son la de la siguiente forma:

Donde:

S: socavacin

b: penetracin del estribo

h: altura de escurrimiento (Fc =Vc/(g*h)1/2)



S/h = s (b/h, Fc, F)

97

Frmulas para estimar la socavacin con arrastre

generalizado

Frmula de Liu, Chang y Skinner (1961)

Estribos de paramento vertical y ngulo de ataque 90 .

Frmula de Veiga de Cunha (1971)

3/15/2)(15,2 Fh

b

h

s

3/10,4 Fh

s

25h

b

25h

b

98

Frmula de Garde, Subramanya y Nambudripad (1961)

Donde:

S: socavacin

K1: constante que depende del tamao del sedimento

K2: constante que depende de las dimensiones del estribo

K3: factor de correccin de forma del extremo (semi-circulo, K3 = 0,9)

B: ancho del escurrimiento aguas arriba de los estribos

b: penetracin del estribo

n: exponente que depende del tamao del sedimento

h: altura de escurrimiento (Fc =Vc/(g*h)1/2)



nFbB

BKKKK

h

hS)(4321

99

n

K1

K2

K4

100

Socavacin Local

Al pie de un umbral

Los umbrales son obras hidrulicas frecuentes que atraviesan unro de lado a lado, con distintos objetivos como son: barreramvil, vertedero fijo para elevar el nivel y as poder captar en loscanales que utilizan el agua del ro, sifn que cruza de un lado aotro del ro...etc.

Estos umbrales sirven de fundacin y dan apoyo a las estructurassuperiores.

nivel de aguas abajo en el ro, dh

101

Bormann y Julien (1991).

8,0

4,0

90

0

8,0

0

2

0

0

.max

)25(61,0

sen

sen

d

h

gh

v

h

Ds p

102

Dp = Cada entre el umbral y el lecho de aguas abajo Smx = Socavacin mxima bajo el nivel del lecho de aguas abajo Fo = N de Froude del escurrimiento sobre el umbral. Fo = Vo / (g ho)1/2

d90 = Dimetro del material fluvial en que el 90% en peso es de menor dimetro vo = Velocidad horizontal del chorro sobre el umbral ho = Altura del escurrimiento sobre el umbral de salida = ngulo de incidencia del chorro sobre el fondo de la socavacin

= ngulo de reposo del fluvial bajo el agua =ngulo del fondo de la fosa de socavacin con la horizontal.

Se acepta = Ls = Longitud de difusin del punto A al fondo de la socavacin (punto B)

El ngulo , expresado en radianes, puede determinarse con la relacin experimental:

En el caso de un chorro que incide directamente sobre la superficielibre de aguas abajo, con un ngulo, puede adoptarse: = 0

Ivanissevich (1980). XII Seminario de Grandes Presas. ICOLD. Brasil

5,0

90

075,0

0

2/3

0

.max )()(04,1d

h

h

HC

h

sv

gHCv vo 2

Cv es un coeficientede velocidad que varaentre 0,9 y 1.

H = diferencia entre la lnea de energa del chorro y la superficie libre (m)ho: altura de escurrimiento (m)Vo: velocidad de escurrimiento (m/s)d90: tamao del sedimento (m)

104

Socavacin local

Aguas abajo de un salto de esqu

El chorro describe una trayectoria parablica en la atmsferacon algn grado de disipacin de energa por friccin con elaire y entra impactando a la masa de agua con un ciertongulo

Veronese (1937).

mmend

d

qHhs

m

m

d

medio, dimetro:

68,342,0

54,0225,0

.max

mmd

qHhs

m

dmx

5

90,1 54,0225,0.

Smax: socavacin mxima (m)hd: altura de escurrimiento aguas abajo (m)H: diferencia entre el Bernoull del chorro en su despegue del vertedero y el nivel de la masa de agua a la que impacta el chorro (m)q : caudal por unidad de ancho (m3/s/m) dm: dimetro medio (mm)

106

Colemann.

Est formula es similar a la de Veronese pero introduce uncoef. de correccin por el ngulo de impacto.

senqHhs dmx54,0225,0

. 90,1

El ngulo se forma por el chorro con la horizontal en el puntode impacto con la masa de agua.

Wu (1973).

51,0235,0

. 18,1 qHhs dmx

/s/mm 6,11325 3q

m 18031 Hm 4319 .mxs

Rango Validez

Referencias Bibliogrficas

1. American Society of Civil Enginneering. Sedimentation Engineering. ASCE Manual and Reports on Engineering Practice N 110. Edit. Marcelo Garcia. 2007.

2. H.N. Breusers y A.J . Raudkivi.IAHR. Scouring.Hydraulic Structures Design Manual. 1983.

3. Hoffmans. G y Verheij. Scour Manual. Ed. Balkema.1997. Neill (Guide to Bridge Hydraulics (1973).

4. Mery, H. Hidrulica aplicada al diseo de obras. 2008.

5. Diseo Hidrulico de Puentes. Luis Ayala. U. de Chile.1989.

cap1.3 - hidraulica fluvial

Documents