Clculo de la SocavacinINTRODUCCINLa socavacin consiste en la profundizacin del nivel del fondo del cauce de una corriente causada por el aumento del nivel de agua en las avenidas, modificaciones en la morfologa del cauce o por la construccin de estructuras en el cauce como puentes, espigones, etc.La socavacin comprende el levantamiento y transporte de los materiales del lecho del ro en el momento de una avenida o creciente, o por la construccin de una obra dentro del cauce. Debe diferenciarse la socavacin de la erosin no recuperable en el sentido de que despus de que pase la avenida o se elimine la causa de la socavacin en procesos posteriores, comnmente se vuelven a depositar sedimentos en un proceso cclico, y se puede recuperar el nivel del fondo del cauce. La socavacin est controlada por las caractersticas hidrulicas del cauce, las propiedades de los sedimentos del fondo y la forma y localizacin de los elementos que la inducen.La socavacin se la relaciona con las fallas de las cimentaciones de puentes en todo el mundo, algunas de ellas catastrficas y con prdidas de vidas humanas. Los puentes y otras estructuras representan una contraccin 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 contraccin puede generar niveles de socavacin de varios metros.

4.1 FUNDAMENTOS DE LA SOCAVACINAl evaluar la socavacin en el sitio de un puente se deben tener en cuenta seis componentes:1. Socavacin no recuperable

Es el cambio en el nivel del fondo del cauce con el tiempo, a 10, 50, 100 o 500 aos. Esta profundizacin o agradacin del cauce ocurre en longitudes importantes de la corriente en un proceso que obedece a fenmenos geomorfolgicos, los cuales pueden ser acelerados por la intervencin antrpica de la cuenca o el cauce. La evaluacin de esta erosin o agradacin requiere de una investigacin de la hidrologa, geologa, geomorfologa e historia de la corriente y de la cuenca de drenaje y establecer modelos para predecir la evolucin futura. Se conoce de ros que en menos de 30 aos se han profundizado ms de diez metros (Richardson y Lagasse, 1999).

La degradacin no recuperable en ocasiones es ignorada en los clculos de socavacin porque los ajustes del fondo del canal a lo largo de todo su sistema no son detectados o se asume que son insignificantes. Sin embargo, el conocimiento de esta degradacin puede permitir detectar grandes profundizaciones del cauce durante la vida til de una estructura. Los ros y corrientes son detalles dinmicos del paisaje que se ajustan naturalmente al alterarse sus condiciones ambientales. Esta habilidad para ajustarse implica que cualquier cambio natural o antrpico necesariamente causa un ajuste en la morfologa del canal, en las cargas de sedimentos, y en las caractersticas hidrulicas aguas arriba y aguas abajo en un intento del ro por adaptarse a la alteracin.Si el balance equivale a que la energa del flujo aumenta, el canal se ajustar a buscar un nivel menor de energa degradndose aguas arriba, amplindose y sedimentando aguas abajo. La degradacin puede ocurrir sobre un periodo grande de aos y puede afectar longitudes grandes del canal, ros completos o sistemas completos de cuencas. Por ejemplo, la degradacin de largo plazo en el ro Mississipi vara de acuerdo al sitio entre 1.6 y 9.1 metros (Wilson, 1999).

Anlisis de la socavacin no recuperable

La evaluacin de la erosin a largo plazo requiere del anlisis de los cambios tanto naturales como inducidos por el hombre, incluyendo los siguientes: Alteraciones del canal de la corriente por dragado, canalizacin, y otras. Minera de arena y grava en la corriente, la cual genera un desequilibrio de sedimentos. Construccin de represas que cambian las caractersticas del flujo y retienen el suministro de sedimentos. Cambios en el uso del suelo como quemas, sobrepastoreo y urbanizacin. Cambios naturales por sismos, actividades volcnicas, cambios climticos, deslizamientos de tierra, etc.Analizando estos factores se puede realizar una evaluacin cualitativa de su efecto sobre el fondo del cauce. Adicionalmente se pueden realizar clculos extrapolando informacin usando criterios deIngeniera. Con este objeto existen programas de computador para analizar la socavacin y la sedimentacin, tales como BRI-STAR de la FHWA (Molinas, 1993), HEC-6 del U.S. Army Corps of Engineers (1991), y CAESAR (Palmer y otros, 1999).Los problemas de degradacin de los ros por minera son muy difciles de resolver (Crossett, 1993). La degradacin de algunos ros en California por la explotacin de arenas es del orden de cinco metros.La estabilizacin de las orillas y estructuras de puentes en una situacin como esta, es prcticamente imposible.2. Socavacin por aumento del caudalAl aumentar el caudal la velocidad aumenta y se produce erosin en el fondo de la corriente. Al bajar nuevamente el nivel de la corriente, comnmente esta socavacin se recupera nuevamente por sedimentacin. La socavacin ocurre en periodos de horas o das, afectando prcticamente todo el cauce.Al pasar la avenida nuevamente se produce sedimentacin y generalmente el cauce recupera, al menos parcialmente, el material socavado durante el paso de la creciente.3. Socavacin por contraccin del cauceLa construccin de un puente puede disminuir el ancho del cauce para el paso de grandes caudales y al presentarse los caudales, se produce un aumento extraordinario de las velocidades en la contraccin, producindose socavacin del fondo del cauce en el sector contrado.La socavacin por contraccin del cauce puede ser muy grande. Richardson y Lagasse (1999) describen casos de socavacin de ms de seis metros en la contraccin de un puente durante avenidas de corta duracin. Existen ecuaciones y modelos de computador que permiten calcular la socavacin en las contracciones de los puentes con bastante precisin. Algunos de los programas utilizados para calcular la socavacin en contracciones de puentes son: WSPRO, HEC-RAS, BRI-STARS,UNET, FESWMS y RMA-2V. 4. Socavacin local en los estribosJunto a los estribos del puente se genera turbulencia, la cual produce erosin adicional y disminuye localmente el nivel del fondo del cauce junto al estribo.Los vrtices junto a los estribos forman fosas profundas de erosin especialmente en los extremos del estribo junto al sitio de estrechamiento del cauce.Esta socavacin debe adicionarse a la profundidad de socavacin producto de la contraccin de la seccin del cauce.5. Socavacin local en las pilasEn las pilas dentro del cauce se producen remolinos de turbulencia, los cuales hacen que el nivel del ro descienda especialmente junto a estas estructuras.Alrededor de las pilas se forma una fosa profunda por socavacin, producida por un sistema de vrtices generados por la interferencia que la pila causa al flujo.6. Inestabilidad geomorfolgica de la corrienteLa movilidad lateral de la corriente modifica necesariamente los niveles del fondo del cauce en sitios especficos.La precisin de los modelos de socavacin depende fuertemente de la disponibilidad de informacin para calibracin y verificacin de las frmulas empleadas.Es difcil que un modelo de socavacin pueda repetirse fcilmente en el campo, debido a la gran diversidad de variables topogrficas, hidrulicas, hidrolgicas, sedimentolgicas y geolgicas que intervienen en el proceso de socavacin, las cuales no es posible modelar con exactitud.Caudal para el clculo de socavacinLaursen (1970) recomienda que la socavacin en un puente debe disearse para el caudal mximo probable y no para un caudal de retorno especfico, debido a que la posibilidad de que ocurra laprecipitacin mxima probable durante la vida til del puente es muy alta y en el caso de que esta ocurra, si el puente no est diseado para este caudal, la socavacin destruye totalmente el puente y los daos tanto econmicos como sociales son muy superiores a los costos de construir el puente para este caudal.La FHWA de los EE.UU. recomienda utilizar periodos de retorno de 500 aos para puentes importantes, cuya destruccin pueda generar daos sociales o econmicos importantes.El factor tiempoButch (1999) en mediciones de campo encontr que la socavacin depende del tiempo de las avenidas.Entre mayor es el tiempo de la creciente mayor es la socavacin. La forma del hidrograma de creciente y el tiempo base son factores que determinan el valor de la socavacin.Sin embargo, la mayora de mtodos de anlisis no tienen en cuenta estos factores.Factores de seguridad en los clculos de socavacinAlgunos de los mtodos de clculo de la socavacin como el HEC-18 de la FHWA, obtienen valores que en concepto de algunos autores son conservadores y no se requiere la utilizacin de factores de seguridad.Sin embargo, debe tenerse en cuenta que para determinados caudales se puede producir acorazamiento del fondo del cauce, disminuyndose aparentemente la socavacin, pero estos acorazamientos pueden desaparecer al presentarse caudales mayores y la socavacin puede ser muy cercana a la calculada por medio de las frmulas (Richardson y Richardson, 1999). En todos los casos existe una incertidumbre involucrada en los modelos y se requiere utilizar criterios prudentemente generosos.

4.1.2 INSTRUMENTACIN DE LA SOCAVACINSe han desarrollado una gran cantidad de instrumentos diferentes para medir la socavacin en el sitio en el momento de su ocurrencia (Lagasse y otros, 1999). Entre los diversos instrumentos se encuentran los siguientes:1. Varillas medidorasPueden ser manuales o mecnicas. Las varillas se profundizan al producirse la socavacin. Este sistema puede ser impreciso cuando las varillas penetran dentro del suelo, sin que realmente haya ocurrido socavacin. En ocasiones se les colocan placas anchas en la base para evitar la penetracin. Puede ocurrir que estas placas anchas no permitan el movimiento de la varilla hasta la profundidad de socavacin. Son tiles solamente para medir la socavacin en la direccin vertical.2. Varillas enterradasSon varillas enterradas dentro del cauce con sensores sobre un soporte vertical (Figura 4.2) Las mediciones se realizan por medio de pelculas piezomtricas, sistemas de mercurio o switches magnticos, los cuales miden con precisin el aumento de los huecos de socavacin.Los switches de mercurio utilizan una tecnologa simple pero presentan el problema del riesgo de contaminacin en el caso de que sean destruidos por la corriente. Los collares magnticos deslizantes estn diseados para deslizar alrededor de la varilla a medida que progresa la socavacin y activar una serie de switches que estn instalados a intervalos predeterminados.Las pelculas piezomtricas requieren estar revestidas en un material a prueba de agua que no se deteriore a la exposicin de la luz solar, al agua y a los qumicos. Algunas de estas pelculas se afectan fcilmente y dejan de funcionar al poco tiempo.3. FatmetrosLas ecosondas son muy utilizadas para determinar la profundidad de los cauces (Figura 4.3). Los fatmetros son instrumentos que utilizan ondas snicas o ultrasnicas similares a las que se utilizan en medicina para realizar ecografas. En la prctica miden el eco del sonido emitido. Hay equipos muy sofisticados y costosos pero tambin se consiguen fatmetros de bajo costo que solamente miden la socavacin final, pero la medicin no debe ser obstruida por residuos transportados por la corriente. Las frecuencias altas (> 200 kHz) dan una mejor resolucin pero una penetracin ms pobre en flujos con muchos sedimentos (Mueller y Landers, 1999).Para el anlisis de los diversos sistemas de instrumentacin se recomienda consultar el informe396 del Transportation Research Board (Lagasse y otros, 1997).

Utilizacin de programas de computadorComo se indic anteriormente existen varios programas de software que calculan la socavacin.Uno de los ms conocidos hasta el momento es el programa HEC-RAS (River Anlisis system). Las ecuaciones propuestas en el HEC-18 (FHWA, 1998) se agregaron al software como una subrutina especfica para calcular la socavacin.El usuario realiza primero los clculos hidrulicos y despus de calcular los perfiles del agua, puede calcular la socavacin en los puentes cuya seccin previamente se ha introducido al programa. El resultado puede obtenerse analtica o grficamente. (Brunner, 1999).El Transportation Research Board desarroll un sistema experto para evaluar la socavacin y la estabilidad de las corrientes (Palmer y otros, 1999). Este sistema llamado CAESAR permite determinar no solamente la socavacin, sino tambin la posibilidad de movimientos laterales e inestabilidad general de la corriente.El programa CAESAR permite identificar una gran cantidad de amenazas para las cuales se deben disear soluciones.

4.2 SOCAVACIN GENERALLa socavacin general se puede producir por varias causas:a. Aumento del caudal durante las avenidasb. Incremento de la pendiente del cauce por alteracin del canal, o corte de meandros.c. Remocin de sedimentos del flujo por la construccin de una presa o por extraccin de materiales del fondo del cauce.d. Transferencia de agua de una cuenca a otra, la cual altera la capacidad de transporte de sedimentos de ambas corrientes.e. Disminucin de la rugosidad del cauce por obras de regulacin del canal.Esta socavacin es una erosin general de todo el cauce y no depende de que exista o no un puente u otra estructura.La socavacin general tiene como resultado una disminucin en el nivel del fondo del cauce y los niveles de agua y por lo tanto puede producir exposicin de las fundaciones, de los oleoductos y otras estructuras colocadas en el cauce del ro.Maza define la socavacin general como el descenso del fondo de un ro cuando se presenta una avenida, debido a la mayor capacidad que tiene la corriente de transportar partculas en suspensin; partculas que toma del fondo del cauce. Segn Maza al aumentar la velocidad de la corriente, aumenta su capacidad de transporte por lo que erosiona el fondo, al erosionar aumenta el rea de la seccin y disminuye la velocidad hasta que ya no es capaz de erosionar ms.La socavacin puede ocurrir a todo lo largo y ancho del cauce durante el paso de una avenida. Los niveles de socavacin general varan de acuerdo a los caudales (Figura 4.4) y la profundidad de socavacin no es la misma en toda la seccin. Generalmente la socavacin es mayor en el sector ms cercano al Thalweg

4.2.1 CLCULO DE LA SOCAVACIN GENERALSegn Lschtvan-Levediev (Maza, 1967) las expresiones para evaluar la socavacin general son las siguientes:Para suelos granulares:

yS = Desnivel entre la superficie del agua, al pasar la avenida y el fondo erosionado.Ho = Desnivel entre la superficie del agua, al pasar la avenida, y el nivel del fondo original (medido antes de la avenida).yS , yo = Se miden en cada seccin vertical donde se desea hacer el clculo.ym = Tirante medio medido entre la superficie del agua al pasar la avenida y el fondo original. Se obtiene de dividir el rea hidrulica entre el ancho de la superficie libre Be.We = Ancho libre de la superficie al presentarse la avenidaQd = Gasto del diseoDm = Dimetro medio; si el material del fondo es friccionante. S = Peso volumtrico seco; si el material es cohesivo.x, y = Exponentes en funcin de Dm o S segn el tipo de material del fondo (Tabla 4.2). = Coeficiente que depende de la concentracin del material transportado en suspensin (Tabla4.4). = Coeficiente, depende del perodo de retorno del gasto de diseo (Tabla 4.3). = Coeficiente que depende de la contraccin del cauce (Tabla 4.1).

4.2.2 SOCAVACIN GENERAL EN CASOS ESPECFICOSUna gran cantidad de ros presentan trenzas o anaramificacin de canales. La seccin del ro consiste en una serie de canales con profundidades y anchos diferentes (Figura 4.5). Por modificaciones en el caudal o por comportamiento natural, estos canales pueden no solamente profundizarse o socavarse, sino que tambin pueden moverse lateralmente. En la misma