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Ingenierıa del Agua, Vol. 17, No 2, Junio 2010

INCIDENCIA DEL DISENO EN PLANTA DEUNA PROTECCION DE ESTRIBO SOBRE LASEROSIONES RESULTANTESMarcela L. Reynares, Mario I. Schreider, Graciela B. ScacchiFacultad de Ingenierıa y Ciencias HıdricasUniversidad Nacional del Litoral, Santa Fe, [email protected]

Resumen: Las cubiertas flexibles son medidas de proteccion frecuentemente utilizadas para contrarrestar procesos

erosivos locales que se desarrollan en sitios de puentes.

En este trabajo se analizan, de manera experimental, la incidencia que sobre las erosiones resultantes tienen la longitud

de la proteccion (en el sentido de la corriente principal) y la extension de la misma desde el extremo del estribo hacia

la margen, y con su correspondiente modo de fijacion al lecho. Se estudio tambien, la modificacion que sufre la tıpica

configuracion 3D del flujo junto a un estribo como consecuencia de la presencia de la proteccion y el impacto que dicho

proceso tiene sobre los mecanismos de erosion actuantes.

Los resultados muestran que el desarrollo longitudinal del sector erosionado se incremento de acuerdo con la longitud

que la proteccion tuvo en cada caso, afectando zonas del lecho no comprometidas en la situacion sin proteccion. El

ancho de la hoya de erosion no experimento cambios significativos ante variaciones en las dimensiones del revestimiento.

Protecciones de estribos largas promueven la superposicion de mecanismos 3D, tıpicos en las cercanıas del estribo, con

fenomenos 2D, asociados a la contraccion del flujo, cuya incidencia se incrementa hacia aguas abajo del mismo.

INTRODUCCION

La colocacion de protecciones flexibles junto apilas y estribos son herramientas de la ingenierıacuya utilizacion ha tenido una creciente acepta-cion en los ultimos tiempos, como medida paracontrarrestar los procesos erosivos locales que sedesarrollan en las inmediaciones de estas estruc-turas.

En general, en la literatura las dimensiones enplanta de una proteccion se asocian a las erosio-nes esperables junto a un estribo no protegidoo a la profundidad del flujo en las proximidadesde la estructura. Sin embargo, se puede consi-derar que dicha erosion podrıa modificarse tantoen profundidad como en ubicacion, por la mismapresencia de la proteccion y aun mas, que existauna relacion entre las dimensiones de la protec-cion y la configuracion geometrica de la hoya deerosion resultante.

El presente estudio se enmarca en una investi-gacion de mayor alcance sobre los procesos ero-sivos desarrollados en torno a estribos largos pro-tegidos en valles de inundacion, aspecto aun noresuelto por completo en la bibliografıa especia-lizada.

MARCO CONCEPTUAL

Los mecanismos de erosion actuantes junto aun estribo han sido ampliamente estudiados, talcomo lo refleja la literatura especıfica (Melville yColeman, 2000). La compleja estructura del es-currimiento responsable de dichos procesos tienesu origen en la alteracion del flujo en su encuen-tro con el estribo. De la misma se distingue comomecanismo determinante del proceso, un vorti-ce principal, originado por la combinacion de losflujos descendentes, junto a la cara de aguas arri-ba del estribo, y el de aproximacion, desviado enlas inmediaciones del mismo. Este vortice, loca-lizado junto al estribo es el de mayor potencialerosivo y en consecuencia el responsable de laszonas de mas profundizacion. Su presencia indu-ce a la formacion de un vortice secundario masdebil, tambien de eje horizontal, ubicado a conti-nuacion del mismo. La separacion del flujo en elborde del estribo da lugar a capas de corte ines-table que se enrollan desencadenando los vorti-ces de estela, de eje vertical, cuya participacionen el proceso erosivo es de menor importanciaque los anteriores. Esta compleja configuracionde flujo caracteriza al fenomeno erosivo comotıpicamente tridimensional.

c⃝ Fundacion para el Fomento de la Ingenierıa del Agua ISSN: 1134–2196 Recibido: Julio 2009 Aceptado: Junio 2010

156 M.L. Reynares, M.I. Schreider y G.B. Scacchi

Las investigaciones realizadas para evaluar es-te tipo de erosiones han combinado modelosconceptuales de funcionamiento del proceso, he-rramientas de analisis dimensional y disenos ex-perimentales, dando lugar a numerosas formulasde calculo, que permiten evaluar la maxima pro-fundidad de erosion, las que fueron recopiladasen Melville y Coleman (2000), May et al. (2002)y Garcıa (2008).

Para el caso de puentes aliviadores, que pre-senten estribos largos, Scacchi et al. (2005) de-mostro que las erosiones locales junto a este tipode estructuras no pueden ser estudiadas a partirde las condiciones del flujo de aproximacion, sinoque responden a las condiciones iniciales del flu-jo junto al estribo y a la transferencia lateral decaudal a la hoya de socavacion. Los autores in-corporaron el ancho de la seccion del puente co-mo variable representativa del proceso de trans-ferencia lateral de caudales, redefiniendo ası, laaplicacion de las ecuaciones de estribo largo asituaciones de puentes aliviadores.

La colocacion de una proteccion alrededor deun estribo introduce una alteracion en el procesoerosivo que, a la hora de analizar el mismo, poneen tela de juicio la validez de extrapolar a estasituacion particular, las conclusiones obtenidasde los estudios correspondientes a un estribo noprotegido.

Los estudios antecedentes disponibles aboca-dos al diseno de protecciones en general hanconcentrado sus esfuerzos en la determinaciondel espesor mınimo requerido para asegurar laintegridad de estos dispositivos (Richardson etal., 1995; Chiew, 1995; Przedwojski et al., 1995;Melville y Coleman, 2000; Lauchlan y Melville,2001), y en menor medida las dimensiones enplanta que debieran tener los mismos (Temez,1988; Lagasse et al., 2001; Melville et al., 2006;Cardoso y Fael; 2009).

Resultan escasos los estudios que incluyen ensu analisis la respuesta erosiva del lecho juntoa la proteccion. Reynares et al. (2005) llevo acabo una serie de experimentos de laboratoriotomando como base los resultados de Scacchi etal. (2005) e incorporando una proteccion rıgidaal pie de un estribo largo, con dos rugosidadesdistintas. Los resultados obtenidos indicaron quela presencia de la proteccion no mitiga el pro-blema. Las erosiones se desarrollan alejadas delestribo, en sectores del cauce que antes no seveıan afectados por la presencia de las mismas.

Melville et al. (2006) llevo a cabo un estu-dio experimental donde ensayaron proteccionesconstituidas por riprap y por bloques de concreto

unidos con cables (CTB) en estribos ataludadosintermedios, situados en valles de inundacion desecciones compuestas. Los autores propusieronuna expresion para determinar la extension deldelantal en funcion de la maxima erosion (ye).Con respecto a las erosiones, encontraron que laproteccion no reduce la magnitud de las mismas,sino que desvıa la hoya lo suficientemente lejosdel pie de estribo como para evitar danos en elmismo. Los revestimientos con CTB generaronhoyas mas cercanas al estribo, en comparacioncon los de riprap, resultando fosas mas profun-das.Morales et al. (2008) experimentaron con dis-

tintos ancho de proteccion (W ) en estribos ata-ludados, cortos y/o intermedios. Encontraronque la forma inicial del estribo se modifico porla presencia de la proteccion lo que se tradujoen cambios en la localizacion y forma de la hoyade socavacion resultante. Cuando el ancho de laproteccion fue mayor a la profundidad de erosion(ye) -para la situacion no protegida-, la hoya sealejo del estribo pero no se redujo en profundi-dad. Las maximas erosiones disminuyeron con-siderablemente en aquellas oportunidades dondeW supero las 1.5 veces el tirante medio del flujo(ha).El presente trabajo tiene por objeto estudiar

los procesos erosivos junto a un estribo protegi-do con bloques de concreto adheridos a geotex-til. En particular se propone analizar:

1. La incidencia que sobre las erosiones resul-tantes tiene la extension de la protecciondefinida desde el extremo del estribo haciala margen en la cual se inserta y el modode fijacion al lecho asociado a la misma.

2. La incidencia que la longitud de la protec-cion, en la direccion principal del escurri-miento, tiene con respecto a :

a) Magnitud y ubicacion de la maximaprofundidad de erosion.

b) Forma en planta y volumen del sectorerosionado junto a la proteccion.

3. Las modificaciones que sufre la tıpica con-figuracion 3D del flujo junto al estribo,como consecuencia de la presencia de laproteccion, identificando la existencia dezonas de flujo junto a la misma con ca-racterısticas bidimensionales, semejantes auna contraccion gradual.

Incidencia del diseno en planta de una proteccion de estribo sobre las erosiones resultantes 157

DISENO EXPERIMENTAL

La metodologıa de analisis llevada a cabo fuede tipo experimental. La misma consto de dosetapas, en la cuales se desarrollaron ensayos delaboratorio en condiciones controladas, acordesa los objetivos perseguidos. Los dispositivos utili-zados y las condiciones adoptadas en cada etapase describen a continuacion.

Etapa I

Los experimentos correspondientes a esta eta-pa del estudio se llevaron a cabo en un canal ubi-cado en la Nave I del Laboratorio de Hidraulicade la Facultad de Ingenierıa y Ciencias Hıdricas(FICH), de 18.50 m de largo, 7.65 m de anchoy 0.90 m de profundidad (Figura 1).

El canal posee un tramo de ingreso a fondo fijode 3.50 m de longitud, luego del cual se desa-rrolla en todo el ancho del canal un sector conlecho movil de 11 m de longitud y 0.60 m deespesor, constituido por arena uniforme con und50 de 0.001 m. El tramo final esta conformadopor otro sector rıgido de 3.50 m de longitud.

Figura 1. Dispositivo experimental de la Etapa I

A 8.50 m aguas abajo de la seccion de en-trada, en el sector a fondo movil, se encuentramaterializado un cierre parcial de 3.65 metros deextension, con origen en la margen derecha delcuenco, configurando ası un estribo prismaticode pared vertical y 0.12 m de espesor.

Junto al pie del estribo se coloco una protec-cion del tipo de Bloques de Concreto Adheridosa Geotextil (BCAG), los cuales tienen una sec-cion cuadrada de 0.027 m de lado y 0.012 mde espesor. Los prismas se encuentran separadosentre sı una distancia de 0.002 m (Figura 2). Laaltura del bloque fue determinada mediante laexpresion de Pilarczyk (1997), de acuerdo a lascondiciones hidraulicas reproducidas en la serieexperimental.

Protección de Bloques de Concreto Adherido a GeotextilFigura 2. Proteccion de Bloques de Concreto Ad-

herido a Geotextil (BCAG)

Figura 3. Esquema de las dimensiones de la protec-

cion

El diseno en planta de la proteccion utiliza-da se caracterizo por las siguientes dimensiones(Figura 3):

1. W : distancia medida desde el extremo delestribo en sentido transversal a la corrien-te. La misma se mantuvo constante en to-das las series de experimentos.

2. W1: longitud de la proteccion en direccionhacia aguas arriba, medida desde el eje delestribo.

3. W2: longitud de la proteccion en direccionhacia aguas abajo, medida desde el eje delestribo.

4. WR: extension de proteccion medida desdeel extremo del estribo en direccion hacia lamargen donde este se inserta.

En esta etapa se realizaron un (1) ensayo dereferencia y dos (2) series de experimentos, conobjetivos especıficos cada una de ellas.Todos los ensayos llevados a cabo tuvieron un

caudal total constante de 0.144 m3/s, un tirante(calado) del flujo de aproximacion de 0.12 m yfueron ejecutados en condiciones de agua clara,bajo condiciones proximas a la de iniciacion demovimiento en la seccion de emplazamiento delpuente. La duracion de todos los experimentosfue de 24 horas. Este tiempo ha sido conside-rado suficiente para alcanzar un desarrollo de lamaxima profundidad de erosion local proximo al


80%, respecto del valor final de equilibrio, tal co-mo fue demostrado por Schreider et al. (1998).Asimismo a los efectos de evaluar la incidenciasobre las erosiones resultantes, la comparacionentre ensayos de igual duracion permite arribara conclusiones que responden a los objetivos queel trabajo persigue.

Ensayo de Referencia

En primer lugar se llevo a cabo un ensayopatron (ER), en el cual se dejo desarrollar la ho-ya de erosion al pie del estribo, con el objetivo decontrastar los resultados obtenidos en el mismocon los de las Series 1 y 2, en las que el estriboestuvo protegido. Las condiciones hidraulicas deeste ensayo fueron las senaladas con anteriori-dad.

Serie 1

En esta serie se desarrollaron cuatro (4) expe-rimentos con el proposito de analizar las conse-cuencias que sobre las erosiones y la estabilidadde la manta tiene el modo en que se fija el ex-tremo de la proteccion proximo a la margen.En todos los ensayos las dimensiones de la

manta (W = W1 = W2 = 0.50 m) se man-tuvieron constantes. Las caracterısticas de cadauno de ellos en cuanto a la extension WR y elmodo de anclaje de la misma, se describen enTabla 1.

Serie 2

En esta serie se llevaron a cabo cuatro (4) en-sayos, con el proposito de evaluar la incidencia

del largo de la proteccion (W1 + W2) sobre lamaxima profundidad de erosion, esto es, su ubi-cacion, area y volumen erosionados. En todoslos ensayos W1 fue igual a W2 de modo de esta-blecer una proteccion simetrica respecto del ejedel estribo. El ancho W se mantuvo constantee igual a 0.50 m, al igual que la extension WR

la cual fue de 0.50 m y estuvo unida al restodel revestimiento por medio de una costura. Laslongitudes adoptadas para cada ensayo se pre-sentan en la Tabla 2.En la totalidad de los experimentos de esta

etapa se midio el pelo de agua (superficie libre)mediante limnımetro provisto de punta y vernier,y nivel optico de precision.Finalizado cada experimento, el canal fue

desagotado por medio de una serie de drenesubicados en el fondo del mismo. El numero ydisposicion de los drenes aseguro un vaciado len-to y gradual, evitando cualquier tipo de altera-ciones en el lecho resultante. Una vez drenadoel mismo, se realizo un relevamiento de detallede la zona erosionada. Para ello se empleo undistanciometro laser, con una precision inferioral milımetro, desde un carro porta-instrumental(Figura 1).

Etapa II

Los experimentos correspondientes a esta eta-pa se desarrollaron en un canal ubicado en laNave II del Laboratorio de Hidraulica de la Fa-cultad de Ingenierıa y Ciencias Hıdricas (FICH),de 60 m de largo, 1.50 m de ancho y 1.00 m deprofundidad (Figuras 4a y 4b).

Ensayo Nº Descripción del Ensayo Esquema

ES1-1W= W1= W2= 0.50 m WR = 0

Manta simplemente apoyada

ES1-2

W = W1= W2= 0.50 m WR = 0

Protección anclada con

Zunchos* de alambres

ES1-3

W= W1=W2=0.50 m WR= 0.50 m

Protección extendida hacia la margen

con mantas geotextil superpuestas

simplemente apoyadas

ES1-4

W= W1= W2= 0.50 m WR= 0.50 m

Protección extendida hacia la margen

Con mantas de geotextil superpuestas cocidas

Tabla 1. Descripcion de los ensayos realizados en la Serie 1


Ensayo Nº Descripción del Ensayo Esquema

ES2-1

W = 0.50 m

WR = 0.50 m

W1= W2= 0.20 m

ES2-2

W = 0.50 m

WR = 0.50 m

W1= W2= 0.50 m

ES2-3

W = 0.50 m

WR = 0.50 m

W1= W2= 0.72 m

ES2-4

W = 0.50 m

WR = 0.50 m

W1= W2= 0.95 m


(a) (b)

Figura 4. Vistas del dispositivo de ensayo de la Etapa II

Los 30 m finales del canal poseen paredes devidrio, lo cual permite la visualizacion de losfenomenos que se representan. En dicho sectorse conformo, todo a lo ancho del canal, un le-cho erosionable de 20 m de longitud y 0.30 m

de espesor, constituido por arena uniforme dediametro medio 0.001 m. En la seccion mediadel tramo a fondo movil se materializo, juntoa la margen derecha, un estribo prismatico de0.32 m de longitud (en sentido transversal a la


corriente principal) y 0.15 m de ancho (en senti-do de la corriente principal). Alrededor del mis-mo se coloco una proteccion de lecho de igua-les caracterısticas constructivas que las utiliza-das en el canal de la Etapa I, pero con las si-guientes dimensiones: W = 0,20 m, W1 = 0,20m, W2 = 1,60 m y WR = 0,32 m.Las condiciones hidraulicas definidas para el

ensayo fueron las siguientes:

Caudal Q = 0,048 m3/s.

Tirante h = 0,125 m.

Velocidad media V = 0,256 m/s.

La velocidad media del escurrimiento, en rela-cion con la condicion crıtica de iniciacion de mo-vimiento del sedimento del lecho, determino con-diciones de agua clara en el flujo de la sec-cion contraıa (V/Vc = 0,70), reproduciendoseası condiciones hidraulicas semejantes a las es-tablecidas en los ensayos realizados en la EtapaI.El experimento tuvo una duracion de cinco

dıas, tiempo para el cual se logro una buenaaproximacion de los fenomenos bidimensionalestıpicos de erosiones por contraccion gradual, al-canzandose a su vez un desarrollo mayor en laserosiones locales.Durante el desarrollo experimental se midie-

ron velocidades puntuales en diferentes seccio-nes transversales ubicadas a lo largo de la pro-teccion (Figura 4a). Dicho registro tuvo lugar endos momentos diferentes a lo largo del tiempoque duro el ensayo.

Dentro de las 4 horas de iniciado el experi-mento. Esto es, con un grado de desarrollode la erosion relativamente pequeno.

Al cabo de 48 – 50 horas de iniciado elexperimento.

Las profundidades del escurrimiento en las ver-ticales de medicion y las velocidades puntua-les se midieron con velocımetro acustico doppler(ADV), el cual fue posicionado desde un carroporta instrumental que permite movimiento enlas tres direcciones principales.Luego de cada experimento, se desagoto el ca-

nal y se realizo un relevamiento de detalle dellecho en la zona erosionada, mediante metodo-logıas semejantes a las descritas en la Etapa I.

ANALISIS DE RESULTADOS

Los resultados alcanzados se analizan en elcontexto determinado por los objetivos propues-tos en este trabajo.

Incidencia que tiene la extension WR y co-rrespondiente modo de fijacion al lecho, so-bre las erosiones resultantes

En primer lugar se presentan los parametroscaracterısticos mas sobresalientes que se obser-varon en el ensayo de referencia, ER:

Profundidad Maxima ye = 0,293 m.

Area superficial erosionada Ae = 1,798m2.

Volumen de sedimento erosionado Ve =0,108 m3.

La hoya de erosion desarrollada junto al estri-bo se caracterizo por tener forma conica, coinci-dente con la tıpica que se reporta en la mayorıade los estudios de erosion local junto a estribosde puentes sin proteccion. La maxima profun-didad del lecho se localizo junto al vertice delestribo perteneciente a su cara de aguas arriba(Figura 5).

Figura 5. Hoya de erosion resultante en el ensayoER

El primer experimento realizado para la situa-cion de estribo protegido correspondio a la situa-cion WR = 0,00 m, en el que la proteccion fuesimplemente apoyada sobre el lecho, sin ninguntipo de anclaje (ES1−1). Como resultado se ob-tuvo un corrimiento de la proteccion (Figura 6a).Esto dio lugar a dos procesos erosivos superpues-tos. En respuesta a ello se pueden identificar dossectores de erosion bien diferenciados. Uno depequenas dimensiones, junto al estribo, y otrocon profundizaciones mas importantes, localiza-do junto al lado externo de la proteccion. Laprofundidad maxima de la hoya aquı conforma-da fue de 0.16 m, sustancialmente menor a lamedida en el ensayo de referencia (ER).


(a)

(b)

Figura 6. Fondo resultante en los ensayos ES1−1 y ES1−2

Ensayo W1 = W2 WR ye Ancho Area superficial Volumen a b F = a/b DetalleNo. [m] [m] [m] [m] [m2] [m3] [m] [m]

ER 0.00 0.00 0.293 1.027 1.798 0.108 1.52 1.27 1.21 sin manta

0.160 0.530 - - 0.54 0.53 1.02ES1−1 0.50 0.00 colapsada

0.090 0.750 - - 1.64 0.75 2.18

ES1−2 0.50 0.00 0.306 1.010 1.936 0.163 1.84 1.07 1.71 anclada

ES1−3 0.50 0.50 0.287 1.130 1.901 0.142 2.11 1.06 2.00 solapada

ES1−4 0.50 0.50 0.319 1.050 1.715 0.165 2.16 1.04 2.08 cocida


El corrimiento de la proteccion, con la conse-cuente formacion de una hoya de erosion localjunto al estribo, puede ser el factor determinantede la erosion relativamente pequena en el sectorde mayores profundizaciones (Tabla 3).Con el objeto de analizar la forma en planta

del sector erosionado se definio el coeficiente deforma F, el cual se obtiene mediante la relacionentre sus ejes paralelos a la direccion del flujo deaproximacion y transversal al mismo, (a) y (b)respectivamente, esto es F = a/b (Figura 6a).En el ensayo de referencia (ER), dicho coeficien-te adquirio un valor de 1.21, mientras que paralas dos hoyas formadas en el ensayo ES1−1 fue:

Fhoya menor = 1,02

Fhoya mayor = 2,18

El valor de F obtenido para la hoya desarrolla-da inmediatamente junto al estribo se correspon-de con su forma conica, tıpica de los procesos deerosion local en estribos sin proteccion. Cuandoesta estuvo presente, el desarrollo en planta delsector erosionado junto a la misma se tradujo envalores de F que practicamente duplicaron al an-terior. El mayor desarrollo longitudinal de la hoyade socavacion proporciona un primer indicio dela influencia que la presencia de la protecciontiene sobre las caracterısticas de los procesos deerosion intervinientes.

En el ensayo ES1−2 (Figura 6b) la proteccionfue anclada al lecho, evitandose ası el corrimien-to de la misma. En esta situacion las erosionesfinales resultaron sustancialmente mayores quelas del ensayo ES1−1, similares a las de ER (Ta-bla 3). La ubicacion de la maxima erosion sedesplazo hacia aguas arriba. La forma en plantadel sector erosionado fue mas alargada respectodel ensayo de referencia, lo cual se tradujo enun valor de F un 42% mayor al obtenido paraES1−1 (Tabla 3).En los ensayos ES1−3 y ES1−4 se incorporo un

tramo de proteccion hacia la margen, con unaextension WR = 0,50 m con el objetivo de queel peso actue como anclaje del conjunto. En elprimer caso (ES1−3) (Figura 7a) la manta fuesimplemente apoyada permitiendo una superpo-sicion (solape) sobre el geotextil de la protec-cion previamente colocada. Si bien la cubiertase desplazo de su posicion original, la presen-cia del geotextil evito la fuga de material en esesector (Figura 7a). En el transcurso del experi-mento se desarrollo una profundidad maxima deerosion semejante a la del ensayo ER. El ancho,el area superficial y el volumen de la hoya re-sultaron similares a los observados en el ensayoES1−2 (Tabla 3), aunque la misma fue ligera-mente mas elongada.


(a)

(b)

Figura 7. Fondo resultante en los ensayos ES1−3 y ES1−4

(a) (b)

Figura 8. Anclaje expuesto en la zona del remate de aguas arriba del ES1−2

En el ensayo ES1−4 las mantas fueron cocidas,con el fin de evitar la separacion de las mismas.La configuracion final del lecho erosionado y laproteccion se presentan en la Figura 7b. Los va-lores caracterısticos de profundidad, ancho, areasuperficial, volumen y factor de forma, resulta-ron semejantes a los de los ensayos precedentesES1−2 y ES1−3, no observandose corrimientosde la proteccion.

De los resultados obtenidos en esta instanciadel estudio se concluye que la incorporacion deuna longitud WR (Figura 3) a la proteccion dellecho junto al estribo, no provoca variacionessignificativas en las erosiones resultantes, siem-pre que no se verifiquen desplazamientos de lamanta por un inadecuado anclaje, lo que puededar lugar a nuevos procesos erosivos en la ad-yacencia del estribo, como los que se observanen las Figuras 8a y 8b correspondiente al EnsayoES1−2 En funcion de dichas evidencias se con-sidero conveniente la incorporacion de un tramoadicional de longitud WR que evite la aparicionde posibles puntos fusibles, en los que los ancla-jes queden expuestos dandose lugar de este mo-do a mecanismos adicionales que puedan inter-ferir con los objetivos de los ensayos planificadospara la Serie 2. En consecuencia, se adopto un

valor de WR = 0.50 m y una configuracion demantas cocidas entre sı, caracterısticas que semantuvieron constantes para todos los experi-mentos de la Serie 2.

Incidencia del desarrollo de la proteccion ensentido longitudinal de la corriente sobre laprofundidad, forma en planta y volumen dela hoya de erosion

En esta instancia del estudio se ejecutaroncuatro experimentos de laboratorio, identifican-do a cada uno de ellos con el valor de W1 y W2

(Figura 3) que se le dio a la proteccion colo-cada junto al estribo. Estas dimensiones, comoası tambien los principales parametros que defi-nieron al sector erosionado resultante se presen-tan en la Tabla 4.

El analisis de resultados encontrados se pre-senta sobre la base de los cuatro experimentosmencionados, atendiendo a los objetivos enun-ciados en segundo lugar. Esto es, evaluando larespuesta de la maxima profundidad de erosion,volumen y area erosionada, de acuerdo a la lon-gitud que tuvo la proteccion (W1, W2).


Ensayo W = WR W1 = W2 ye ancho Area superficial volumen a b F = a/bNo. [m] [m] [m] [m] [m2] [m3] [m] [m]

ER 0.00 0.00 0.293 1.027 1.798 0.108 1.52 1.27 1.21ES1−2 0.50 0.20 0.298 1.000 2.456 0.189 2.40 1.30 1.85ES2−2 0.50 0.50 0.306 1.063 1.715 0.165 2.16 1.04 2.08ES2−3 0.50 0.72 0.292 1.100 1.796 0.153 2.13 1.05 2.04ES2−4 0.50 0.95 0.279 1.030 2.043 0.168 2.73 1.07 2.55


(a) (b)

Figura 9. Fondo resultante en el ensayo ES2−1

La configuracion del lecho en las inmedia-ciones de la proteccion que resulto del ensayoES1−2 se presenta en la Figura 9. Tal comose puede observar en dicha figura la proteccionse ha deformado tanto en el sentido longitudi-nal como transversal a la corriente principal, en-contrandose las mayores alteraciones en el extre-mo de aguas arriba del estribo (Figura 9b). Laprofundidad de erosion maxima fue semejante ala del ensayo ER (Tabla 4), pero localizada enun perfil transversal distante 0.10 m del eje delestribo, en direccion hacia aguas abajo, y des-plazada 0.60 m hacia el centro del canal.En las Figuras 10a, 10b y 10c se muestran las

configuraciones finales del lecho correspondientea los ensayos ES2−2, ES2−3 y ES2−4 respectiva-mente. Los aspectos mas importantes que sur-gieron de tales experiencias se resumen a conti-nuacion:

Deformacion de la proteccion.A diferencia de lo ocurrido en el ensayoES2−1 (proteccion de menor longitud) nose observaron deformaciones sobre el ex-tremo de aguas arriba de la proteccion (Fi-gura 10). Tales deformaciones se concen-traron sobre el extremo lateral, opuesto alestribo, paralelo a la direccion longitudinaldel flujo, involucrando una parte significa-

tiva del talud derecho de la hoya de erosionresultante.

Profundidad maxima de erosion:.Los cuatro ensayos referidos presentaronprofundidades maximas de erosion seme-jantes y muy proximas al valor testigo delensayo ER (Tabla 4).

Ubicacion de la maxima profundidad deerosion.En todos los experimentos la maxima pro-fundidad se ubico en las inmediaciones deleje del estribo pero desplazada hacia elcentro de la seccion una distancia apro-ximada de 0.60 m, debido a la presenciade la proteccion.

Forma en planta de la hoya de erosion.El desarrollo longitudinal del sector ero-sionado acompano a la longitud dada ala proteccion en cada caso (Figura 10) sincambios significativos en el ancho de la ho-ya correspondiente (Tabla 4). Esta situa-cion se presenta a modo de ejemplo en laFigura 11, en la que se han superpuesto elcontorno superficial de la hoya de erosionrelevada al final del ensayo de referencia(ER) y los correspondientes a los ensayosES2−2 y ES2−4.


(a) (b) (c)

Figura 10. Fondo resultante en los ensayos ES2−2, ES2−3 y ES2−4

Figura 11. Contorno de las hoyas de erosion con W1 = 0 m, W1 =0.50 m y W1 = 0.95 m

Con el fin de cuantificar la situacion expuestase han calculado los coeficientes de forma “F”,definido con anterioridad, para la totalidad de losexperimentos realizados en esta instancia (Tabla4). El valor creciente de F con el incremento dela longitud de la proteccion demuestra la mayorelongacion del area erosionada.Con el fin de evidenciar la influencia que la lon-

gitud de la proteccion tiene sobre las erosionesresultantes se han comparado perfiles transver-sales relevados en cada uno de los experimen-tos, correspondiente a tres ubicaciones diferen-tes (0.50 m aguas arriba del eje del estribo, sobreel eje del estribo y 0.75 m aguas abajo del ejedel estribo).En la Figura 12 se presentan los datos medi-

dos en la seccion transversal a la direccion dela corriente, ubicada 0.50 m aguas arriba del ejedel estribo. La informacion que de la misma sur-ge confirma el hecho que, en la medida que laproteccion se torna mas larga, la zona erosiona-da avanza hacia aguas arriba, afectando zonasno comprometidas en el ensayo de referencia. Uncomportamiento semejante fue observado en elperfil ubicado 0.75 m aguas abajo del eje delestribo.

En la Figura 13 se muestran las erosiones re-sultantes en el ensayo de referencia y en losES2−1 a ES2−4, para la seccion transversal ubi-cada en el eje del estribo. En la misma se ob-serva que la geometrıa del sector erosionado pa-ra todos los experimentos analizados que con-taron con proteccion del lecho fue semejante,geometrıa que a su vez resulto similar a la quese midio en el ER, aunque desplazada en sentidoopuesto al estribo (Figura 13).

Incidencia de la presencia de una proteccionlarga sobre la configuracion del flujo

Las evidencias morfologicas recopiladas de laserie de ensayos de la Etapa I, en cuanto a laelongacion de las hoyas de erosion y el aparta-miento de la forma tıpica correspondiente a losfenomenos de erosion junto a estribos, sugirie-ron que la presencia de protecciones largas (W2

relativamente grande) junto a un estribo podrıainducir que, a los mecanismos tridimensionaleshabituales en las proximidades de un estribo seles superpongan fenomenos tıpicos de contrac-cion del flujo, cuya incidencia resulta crecienteen la direccion hacia aguas abajo del mismo.


Figura 12. Perfil transversal ubicado 0,50 m aguas arriba del eje del Estribo

Figura 13. Perfil transversal ubicado en el eje del Estribo

Validar esta hipotesis aconsejo llevar a cabo unexperimento adicional, con caracterısticas parti-culares, cuya implementacion fue descrita en eldiseno experimental correspondiente a la EtapaII.El objetivo de esta etapa fue analizar la inci-

dencia que protecciones de gran desarrollo lon-gitudinal podrıa tener sobre la configuracion delescurrimiento en las inmediaciones de la mismay su interrelacion con los procesos erosivos aso-ciados.En este sentido el estudio enfoco tres aspectos

del proceso:

Morfologıa del sector erosionado.

Configuracion del flujo en las inmediacio-nes de la proteccion.

Capacidad de metodologıas de estimacionde erosiones desarrolladas en condicionesde flujo bidimensional de reproducir las so-cavaciones medidas.

Morfologıa del sector erosionado

En la Figura 14 se muestran cinco (5) seccio-nes transversales relevadas al cabo de los 5 dıasque duro el experimento. Una de ellas se ubico enforma coincidente con la cara de aguas arriba delestribo (S0) y las restantes a 0.10 m; 0.33 m;0.60 m y 0.90 m aguas abajo del mismo (S0,10,S0,33, S0,60 y S0,90). Dicha figura demuestra quetanto S0 como S10 (perfiles mas proximos al es-tribo) presentan sus geometrıas compatibles conla tıpica observadas en los procesos de erosionlocal, al tiempo que sus maximas profundida-des de erosion coinciden. La seccion ubicada a0.33 m del estribo, S33, presenta una profun-didad maxima levemente menor a las anterioresy el talud exterior del sector erosionado ligera-mente mas tendido, si bien la forma general dela misma coincide con la de S0 y S0,10.


Figura 14. Perfiles transversales a lo largo de la proteccion. Relevamiento dıa 5

De la observacion de la Figura 14 podrıa plan-tearse que el efecto que la configuracion 3D delflujo tiene sobre la morfologıa del lecho resultan-te parece disminuir al llegar a S0,60. En efecto,en los perfiles mas distantes del estribo se ob-serva que las maximas profundidades son sustan-cialmente menores y los taludes del sector ero-sionado de margen izquierda notoriamente mastendidos. Particularmente en la seccion S0,90 laforma del perfil deja de ser tıpicamente en “V ”para adoptar una forma tipo “U” con una franjao canal de maxima profundidad, pero con unamagnitud sensiblemente menor a las de las sec-ciones mas proximas al estribo.

Las morfologıas resultantes refuerzan las evi-dencias obtenidas en el canal de la Nave I, encuanto a la posible accion conjunta de estructu-ras tridimensionales y bidimensionales responsa-bles de las erosiones resultantes. En este marco,las erosiones observadas en la Figura 14 estarıanmarcando un proceso fundamentalmente tridi-mensional en las inmediaciones del estribo. Enla medida que se consideran secciones alejadas,hacia aguas abajo del mismo, junto a la zonaprotegida predominan los fenomenos bidimensio-nales.

Configuracion del flujo

Las determinaciones de velocidad efectuadasal cabo de 48 hs de iniciado el experimento, enpresencia de un importante desarrollo del proce-so erosivo, permitieron evaluar las distribucionestransversales de caudales para distintas seccio-nes ubicadas a lo largo de la proteccion. Los va-lores medidos se contrastaron con la distribucionde caudales obtenidos a partir de la ecuacion de

Manning

% Qi =(1/n) I h

5/3i ∆Bi∑(

(1/n) I h5/3i ∆Bi

) (1)

donde%Qi es el porcentaje de caudal que escu-rre por una dada franja “i” de la seccion trans-versal, n el coeficiente de rugosidad de Manning,I la pendiente hidraulica, hi la profundidad me-dia en la seccion “i” y ∆Bi el ancho de la franjaconsiderada.La expresion anterior resulta aplicable a con-

diciones de flujo medio bidimensional, por lo quese ha considerado que su grado de ajuste a lasdistribuciones de caudales medidas en las dis-tintas secciones relevadas, resultara un indicadorvalido de las condiciones de tridimensionalidad obidimensionalidad del flujo (3D o 2D) imperan-tes en cada una de esas secciones. La Figura 15demuestra lo anteriormente senalado. En efecto,la distribucion de caudales medidos en la secciondel estribo S0 (Figura 15) difiere de los resulta-dos obtenidos a partir de Manning, poniendo demanifiesto la incapacidad del metodo para re-presentar la compleja configuracion del flujo enel sector proximo al estribo, determinado por unescurrimiento de neto corte 3D.En la medida que se analizaron secciones

transversales cada vez mas distantes del estri-bo, en la direccion hacia aguas abajo, las dis-tribuciones de caudales calculadas fueron apro-ximandose a las medidas, poniendo en evidenciaa la morfologıa de las secciones transversales, de-terminantes para el calculo de la distribucion porManning, como factor preponderante en la con-figuracion del flujo. Este hecho alcanza su mayordimension en la seccion ubicada 0.74 cm aguasabajo del estribo (S0,74), donde ambas distribu-ciones practicamente coinciden (Figura 16).


Figura 15. Comparacion %Q medido – calculado. Seccion S0

Figura 16. Comparacion %Q medido – calculado. Seccion S0,74 aa

Capacidad de metodologıas empıricas dispo-nibles para reproducir las erosiones medidasen las inmediaciones de la proteccion

Del mismo modo que la distribucion calcu-lada por Manning mostro un comportamientodesigual segun la seccion transversal donde seaplico, el hecho de utilizar una formula de es-timacion de erosiones desarrolladas en condicio-nes de bidimensionalidad debiera manifestar uncomportamiento similar.Para demostrar esta premisa se recurrio a la

metodologıa propuesta por Lischtvan y Lebe-diev, en la forma presentada por Schreider et al.(2001), ya que ha demostrado que ajusta muybien en condiciones de flujo uniforme y bidimen-sional, en situaciones de escurrimiento con aguaclara y profundidades menores al metro

hsi =

(qi

4,7 d0,28m β

)1/x+1

(2)

donde hsi es la profundidad de equilibrio en unadada vertical “i”, qi el caudal especıfico actuan-te en la vertical “i”, dm el diametro caracterısti-co del material del lecho, β el coeficiente quetiene en cuenta la recurrencia del evento y x elcoeficiente que depende del material del lecho.Para este trabajo x = 0.41.La comparacion de los perfiles calculados me-

diante (2) con los medidos al cabo de los 5 dıasque duro el ensayo muestra un comportamientoanalogo al observado con respecto de la distri-bucion transversal de caudales. La Figura 17 po-ne de manifiesto como la metodologıa empleadasubestimo los valores medidos en la seccion S0,coincidente con la cara de aguas arriba del es-tribo. Dicha subestimacion resulta razonable yprevisible dado que la formula (2) no contem-pla la existencia de las estructuras de vorticesque caracterizan al flujo en dicha seccion, aunen presencia de la proteccion.


Figura 17. Perfiles de erosion medido y calculado. Seccion S0

Figura 18. Perfiles de erosion medido y calculado. Seccion 0.90 aguas abajo

Figura 19. Perfiles de erosion medido y calculado. Seccion 0.74 m aguas abajo

Por su parte, la Figura 18 muestra como cuan-do la expresion (2) se aplico a una seccion ubi-cada 0.90 m aguas abajo del estribo (S0,90), lareproduccion del fondo medido es muy buena,poniendo de manifiesto que los efectos erosivosque se verifican en dicha seccion ya no obedecen

a fenomenos locales, producto de la presenciadel estribo, sino al aumento de la capacidad detransporte de la corriente originada por la con-traccion ordenada del flujo, en lo que la protec-cion actuarıa como margen guıa.

La observacion del perfil S0,74 en la Figura 19,


ubicado en un punto intermedio, muestra comoeste proceso es gradual, pasando de una con-dicion preponderantemente tridimensional en laseccion del estribo, a un flujo tıpicamente bidi-mensional en la seccion ubicada 0,90 m aguasabajo del sitio de emplazamiento del mismo.

CONCLUSIONES

Los resultados alcanzados muestran que lasprofundidades maximas de erosion obtenidas pa-ra distintas longitudes de proteccion fueron se-mejantes y muy proximas al valor testigo del en-sayo ER. En todos los casos la maxima profun-didad se ubico en las inmediaciones del eje delestribo, desplazada hacia el centro de la seccion,aproximadamente 0.60 m, respecto de su posi-cion para la situacion sin proteccion.El incremento de la longitud de la proteccion

genera una elongacion de las hoyas de erosionque tuvieron lugar junto al extremo del reves-timiento. En todos los casos, el desarrollo lon-gitudinal del sector erosionado acompano a lalongitud dada a la proteccion, sin cambios signi-ficativos en el ancho de hoya correspondiente.El avance hacia aguas arriba del sector erosio-

nado, en la medida que la proteccion fue maslarga, genero la afectacion de zonas no compro-metidas en la situacion sin proteccion.Cuando la proteccion fue muy corta, en el sen-

tido longitudinal de la corriente, la zona ero-sionada cambio su geometrıa. La hoya se loca-lizo alrededor del estribo y de la proteccion. Lapresencia del revestimiento genero una obstruc-cion parcial adicional al escurrimiento, actuandoa modo de un estribo sumergido.En la medida que la longitud de la proteccion

se extendio en forma significativa hacia aguasabajo del estribo, su presencia modifico la tıpi-ca configuracion 3D del flujo junto al estribo,generando una superposicion de mecanismos deerosion. En efecto, a los mecanismos tridimen-sionales habituales en las proximidades del estri-bo (extremo de aguas arriba de la proteccion)se les superponen fenomenos tıpicos de contrac-cion del flujo, cuya incidencia resulta crecienteen la direccion hacia aguas abajo del mismo (sec-tor con presencia de proteccion). Es ası que unproceso fundamentalmente tridimensional en lasinmediaciones del estribo, en la medida que nosalejamos, hacia aguas abajo de la zona protegi-da, se transforma en bidimensional.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Nacional del Litoral quien fi-

nancio, por medio de los Cursos de Accion parala Investigacion (CAI+D), el Proyecto de Inves-tigacion en el marco del cual se desarrollo estetrabajo.A la empresa CORIPA S.A. por el suministro

de las mantas de bloques de concreto, confec-cionadas especialmente para este dispositivo ex-perimental.Al Sr. Sebastian Schmith por su apoyo tecnico

en la puesta a punto de los experimentos.

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