Hidraulica en Presas y Puentes

7/26/2019 Hidraulica en Presas y Puentes

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LA INGENIERIA HIDRAULICA

EN EL DISEO DE PRESASY PUENTES

Ing. EDGAR RODRIGUEZ [email protected]@infonegocio.net.pe


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MAPA DELPERU


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HIDROLOGIA

LA HIDROLOGIA VERSA SOBRE EL AGUA DELA TIERRA, SU EXISTENCIA Y DISTRIBUCION,SUS PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS, Y

SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE,INCLUYENDO SU RELACION CON LOS SERESVIVOS

LA INGENIERIA HIDROLOGICA INCLUYE

AQUELLAS PARTES DEL CAMPO QUEATAEN AL DISEO Y OPERACIN DEPROYECTOS DE INGENIERIA PARA EL

CONTROL Y EL USO DEL AGUA


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EL CICLO HIDROLOGICO


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GEOMORFOLOGIA FLUVIAL

1. CLASIFICACION DE LOS RIOSa. Por su edad:

- Ros Jvenes- Ros Maduros

- Ros Viejosb. Por sus reas de inundacin

- Ros sin reas de inundacin (confinados)

- Ros con reas de inundacin


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Ro con reas deinundacin


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CLASIFICACION DE LOS RIOS

(Continuacin)c. Clasificacin Morfolgica de los Ros

- Ros Rectos

- Ros Trenzados

- Ros Mendricos


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Ro Trenzado


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Ro Mendrico


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CLASIFICACION DE LOS RIOS (Continuacin)

Lane observ y estudi ros como elMississippi, Missouri, y encontr las siguientes

relaciones empricas:

(meandros)

0017.04/1

SQ

(trenzado)1.0SQ 4/1


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PRESAS


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PRESA DE CONCRETO GRAVEDAD


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PRESA DE ARCO


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PRESA DE ARCO


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PRESA DE TIERRA


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SECCION DE LA PRESA HACIA AGUAS ABAJO


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SECCION DE LA PRESA DE TIERRADE SECCION MIXTA


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CORTE EN LA ZONA DE UBICACIN DELAS COMPUERTAS


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FLUJO A TRAVES DE LAS COMPUERTAS DE LA PRESA

1 CONSIDERACIONES PARA DETERMINAR LA


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1. CONSIDERACIONES PARA DETERMINAR LAALTURA DE UNA PRESA

a. Nivel Mximo Normal de Agua ( Hn ). Es el mximonivel de agua almacenado en un reservorio, sin

considerar la ocurrencia de avenidasb. Nivel de Sobrecarga ( Hs ). Es el mximo nivel en elcual la masa de una determinada avenida se

almacena temporalmente ms all del nivel mximonormal de agua

c. Nivel Durante la Ocurrencia de la Avenida de Diseo( Hd ). Es el mximo nivel de agua que ocurre cuandoel exceso de agua proveniente de la avenida de

diseo fluye a travs del vertedero de demasias


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d Ni l M i d A E l i i l d


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d. Nivel Mnimo de Agua. Es el mnimo nivel de aguarespecto al volumen neto del reservorio y a la

capacidad por debajo de este nivel que corresponde alvolumen muerto

e. Altura de las Olas Producidas por el Viento ( hV )hV = 0.00086 V1.1 F0.45 metros

F = Fetch, es la mxima distancia medida desde la

presa, hasta el otro extremo del reservorio,durante la ocurrencia de la avenida de diseo

V = Velocidad del vientof. Altura de las olas debido a sismos ( hS ). Frmula de

Seiichi SatoK = Coeficiente ssmico de diseo

hS = ( K /2 ) ( g Hn) = Ciclo del terremoto, seg.


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ALTURA DE LA PRESA ( H )

En Japn se recomienda que la altura H de la presadebe ser el mayor valor qque dan las siguientesrelaciones

En el caso que hV < 1,entonces H = Hd + 2Hd + hV + 1

En el caso que hV + hS/2 < 2,entonces H = HS + 3

HS + hV + hS/2 +1

En el caso que hV + hS < 2,entonces H = Hn + 3

Hn + hV + hS + 1

ObservacionesAltura H ( mts )

2. CONSIDERACIONES SOBRE LA DETERMINACION


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DEL VOLUMEN DEL RESERVORIOLa determinacin de la capacidad total de un reservorio

est en funcin de tres principales componentes:a. El almacenamiento activo, o volumen neto requerido

para la regulacin del flujo de un rob. El volumen muerto requerido para el

almacenamiento de sedimentos

c. La capacidad de almacenamiento para regulacin deinundaciones

Cada uno de estos componentes, que forma lacapacidad total del reservorio, pueden sermodelados y estudiados separadamente, y despues

sumados para determinar el volumen total del vasode almacenamiento

2 2 Almacenamiento Activo o Volumen Neto


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2.2 Almacenamiento Activo o Volumen Neto

Los caudales que discurren por un ro no sonconstantes en el tiempo.

E ibl l l t i t d l


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Es posible regular el comportamiento delregimen de un ro almacenando parte delvolumen de agua mediante la construccin deuna presa. La determinacin del volumen de

almacenamiento S se hace mediante un estudiode operacin de reservorios

St + Qt Dt Lt = St+1St = Volumen del reservorio en el tiempo 1St+1 = Volumen del reservorio en el tiempo t + 1

Qt = Caudales de entrada no reguladosDt = Caudales de salida del reservorio de acuerdo a

las demandas

Lt = Prdidas por evaporacin e infiltracin

2 2 V l M t l Al i t d


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2.2 Volumen Muerto para el Almacenamiento deSedimentos

El destino final de todos los reservorios es

llenarse con los sedimentos que transporta elro.

En base a los clculos de transporte desedimentos y al perodo de vida delreservorio, que puede ser de 50, 10, 200

aos, etc, se determina un volumen muerto,que ser llenado por los sedimentos duranteel periodo de vida del reservorio

3 CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEO DEL


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3. CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEO DELVERTEDERO DE DEMASIAS

3.1 Avenida de Diseo. Se debe estimar la

avenida de diseo con el propsito de losclculos de la estabilidad de la presa, y paracalcular las dimensiones del vertedero de

demasas, y de la altura de la presa.Para el clculo de la avenida de diseo se

debe recurrir al estudio de la probabilida ofrecuencia con la cual un determinado caudalpuede ser igualado o excedido


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3.2 Transito de avenidas a traves de embalses


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Este anlisis es importante para la

determinacin de la altura de la presa yde las dimensiones del vertedero de

demasas y compuertas

En caudal que sale por el vertedero dedemasa, y a travs de las compuertases meno que el caudal de avenida que

entra al reservorio, debido al efectoregulador del embalse

La curva A representa el hidrograma de la


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p gavenida de diseo

La curva B es el hidrograma de salida a travsdel vertedero y de las aberturas de las

compuertas, determinada en base a un estudio detrnsito de avenidas a travs del embalse

Curva A

Curva B

I O = dS/dt


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DISIPADOR DE ENERGIA

VERTEDERO LATERAL

VERTEDERO DE CANAL LATERAL

VERTEDERO DE POZO


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VERTEDERO DE POZO

DISIPADOR DEENERGIA

VERTEDERO DE DEMASIAS DE POZO O MORNING GLORY


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CRESTA DEL VERTEDERORECOMENDADA POR U.S.ARMY ENGINEERSWATERWAYS EXPERIMENTSTATION

DISIPADORES DE ENERGIA


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DISIPADORES DE ENERGIA

V1 > 18 m/sFr1 4.5

V1 < 18 m/sFr1 4.5

2.5 < Fr1 < 4.5

4 CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE


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4. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRELAS OBRAS DE TOMA

Las obras de toma sirven para regular o dar

salida al agua lamacenada en una presa

Las estructuras de las obras de toma puedendescargar directamente en el ro, o se tienenobras que descargan en un canal, o bras que

descargan en una tubera forzada


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EJEMPLO DE UNA ESTRUCTURA DE TOMA EN UNAPRESA PEQUEA

La boca de entrada de la toma debe tener un


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Perfil adecuado para evitar turbulencia y

Problemas de cavitacin

FORMA DE LA ENTRADA DE LA TOMA


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PUENTES


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PUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTEPUENTE BOLOGNESI EN PIURA EN 1998, DURANTELA OCURRENCIA DEL FENOMENO EL NIOLA OCURRENCIA DEL FENOMENO EL NIO


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PUENTE BOLOGNESI, EN PIURA, TRAMO INTERMEDIO CADO A

RAZ DEL FENMENO EL NIO 1998


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EFECTOS DEL FLUJO SOBRE UN PUENTE

Las caractersticas de un hidrograma de crecientes dependen


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Las caractersticas de un hidrograma de crecientes dependende las caractersticas de la cuenca

Rio Llalli - Puno Ro Mayo San Martn


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1. PROCESOS EROSIVOS

a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS


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a. EROSION DE RIBERAS POR FLUJOS EN CURVAS

Caractersticas del Flujo en Curvas


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ABLa migracin de meandrosse produce por el continuo

proceso de erosin lateral

PUENTE UBICADO EN CURVA - EROSIONES


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b. SOCAVACION GENERAL dg


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g

- Cuando ocurre una avenida (Qmax) segenera una variacin en el nivel del lechodel ro

- Pueden haber fenmenos de agradacin ode socavacin

- Los fenmenos de socavacin general sonmuy peligrosos y tienen que ser tomados

en cuenta para definir las profundidadesde cimentacin de los pilares y estribosdel puente

EROSION DE RIBERAS POR SOCAVACION


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GENERAL DEL CAUCE

Socavacin General


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Socavacin General

Es el descenso temporal del fondo de un ro

producido por una creciente o avenida.

Se debe al aumento de la capacidad dearrastre del material slido de la corrienteoriginado por su mayor velocidad.


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C. EROSION DE RIBERAS POR PERTURBACIONESLOCALES DEL FLUJO (Erosin Local)


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LOCALES DEL FLUJO (Erosin Local)

Efecto del pilar de un puente

ESPIGONES O ESPOLONES


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Caractersticas del Flujo alrededor de los espigones


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Socavacin local

a. Espign con inclinacin hacia aguas arriba

Erosin de ribera

b. Espign con inclinacin hacia aguas abajo

Socavacin local

Socavacin local

c. Espign normal al flujo

Socavacin local

SOCAVACION LOCAL


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SOCAVACION LOCAL

Los procesos de erosin local, se originan en

movimientos vorticosos que ocurren al pie deobstculos puntuales al flujo en un cursofluvial.

Se circunscribe a un lugar determinado, y a

veces tambin est limitada a una ciertaduracin. Rocha (1999)

D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE


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D. EROSION POR CONSTRACCION DEL CAUCE


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2. FLUJO EN UN DE UN RIO

FLUJO EN UN RIO


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FLUJO EN UN RIO

Impermanente

No Uniforme Turbulento

Tri-dimensional


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CALCULO DE VARIABLESHIDRAULICAS


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EN FLUJO UNIFORME

VELOCIDAD:


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Velocidad Media

V = R2/3.S1/2/n (Frmula de Manning)

R: Radio HidrulicoS: Pendiente de fondon: Coeficiente de rugosidad deManning


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Coeficiente de Rugosidad

Adopta valores de acuerdo a la caracterstica del lecho

Depende de:Tamao de partculas de fondo

Tamao de formas de fondo

0.011

0.025

0.040

Cemento Liso

Tierra Gravosa

Tierra con Pedrones

nSupeficie


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ESFUERZO CORTANTE:


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- Esfuerzo Cortante en el fondo(o)

o=.h.S

: Peso Especfico del Aguah: Tirante

S: Pendiente de Fondo

- Perfl de Esfuerzos Cortantes(y)

y=.(h-y).S


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EN FLUJO NO UNIFORME:

- Flujo Gradualmente Variado

- Flujo Rpidamente Variado

GEOMETRIA DEL CAUCE


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La geometra del cauce depende

principalmente de:

- La descarga Q

- Las caractersticas del lecho del ro

- El material de las riberas

- El transporte de sedimentos


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3. EFECTOS DE UN PUENTE SOBRE ELCOMPORTAMIENTO DEL RIO


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COMPORTAMIENTO DEL RIO

- La construccin de pilares y estribos deun puente, y de las estructuras deproteccin de las riberas, influyen en eltrnsito de avenidas

- Esto hace que existan cambiosmorfolgicos en el ro, en la geometra

del cauce, en la relacin entre los nivelesde agua y descarga


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AGRADACIN PRODUCIDA EN EL CAUCE

Tipos de flujo dentro de un puente (1)


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SOCAVACIN LOCAL EN PILARES DE PUENTE DE BANOS CORTOS, O

ALCANTARILLAS TIPO MARCO

a. TRABAJOS DE RECONOCIMIENTO DECAMPO


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CAMPO

Se debe hacer un reconocimiento inicial decampo:

- Se debe determinar si el ro tiene llanurasde inundacin o cauces profundos

- Se debe determinar si el ro esestticamente estable, dinmicamenteestable, o inestable

- Estudiar las variaciones de los niveles deagua

a. RECONOCIMIENTO DE CAMPO(continuacin)


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( )

- Estudiar aproximadamente los rangos devariaciones de descargas

- Determinar el ancho de las llanuras deinundacin, y las caractersticas de los

meandros- Analizar el tipo y granulometra delmaterial del lecho

- Analizar los materiales que conforman lasriberas del ro

b. ESTUDIOS DE HIDROLOGIA


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Los principales datos a obtener del anlisishidrolgico son:

- La avenida de diseo (Qmax)

- Caudales medios y mnimos

- Curva caudal .vs. Tirante en la zona deconstruccin del puente


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C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTANEN RELACION CON LA UBICACIN

DEL PUENTE

ESTUDIO DE LA ZONA DE CRUCE DEL PUENTE


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MIGRACIN DEL CAUCE PRINCIPAL DEL RIO AFECTANDO AL PUENTE


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VISTA DE UN PUENTE DONDE EL RO PRESENTA MIGRACIN LATERALVISTA DE UN PUENTE DONDE EL RO PRESENTA MIGRACIN LATERALY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHAY EMPIEZA A AFECTAR LAS RIBERAS DE LA MARGEN DERECHA

UNA SELECCIN ADECUADA

UNA SELECCIN ADECUADA


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DE LA UBICACIN DELPUENTE

1 Ubicacin no recomendada,

puente en zona de

confluencia de tributarios.

2 Puente colocado en curva

fuerte, no recomendada

3 Puente en tramo al final decurva

DE LA UBICACIN DELPUENTE

1 Ubicacin no recomendada,

puente en zona deconfluencia de tributarios.

2 Puente colocado en curva

fuerte, no recomendada

3 Puente en tramo al final de

curva

ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIN DEL PUENTE

ALGUNOS PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN CONRESPECTO A LA UBICACIN DEL PUENTE


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1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanico

fluvial.

2. Canalizacin recta de un tramo del ro.3. Ro con perodos prolongados de niveles bajos.

4. Exceso de sedimentos en la abertura del puente

por aporte de ro tributario.

5. Puente ubicado aguas abajo de una presa

6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminucin de los tirantes aguas abajo del

puente.

1. Puente inmediatamente aguas abajo de un abanico

fluvial.

2. Canalizacin recta de un tramo del ro.

3. Ro con perodos prolongados de niveles bajos.

4. Exceso de sedimentos en la abertura del puentepor aporte de ro tributario.

5. Puente ubicado aguas abajo de una presa

6. Puente ubicado aguas arriba de una presa.7. Disminucin de los tirantes aguas abajo del

puente.

ESCARPADO ABANICOALUVIAL

El nivel del cauce sepuede elevar.

El nivel del cauce sepuede elevar.


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PLANO

La direccin del flujo esincierta.

El cauce es inestable

La direccin del flujo esincierta.

El cauce es inestableCRUCE AGUAS ABAJO DE UN ABANICO FLUVIAL

Mayor pendiente Mayor velocidad

Aumento del transporte desedimentos Socavacin y posible erosinretrograda

Inestabilidad de mrgenes El ro puede divagar Peligro de erosin ysocavacin de las fundaciones

Mayor pendiente Mayor velocidad

Aumento del transporte desedimentos Socavacin y posible erosinretrograda

Inestabilidad de mrgenes El ro puede divagar Peligro de erosin ysocavacin de las fundaciones

CANALIZACIN DE UN TRAMO DEL RO


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A A

CAUCE PARA

CAUDALES ALTOS

CAUCE PARA

CAUDALES BAJOS SECCION A-ACAUCE PARACAUDALES ALTOS

CAUCE PARA

CAUDALES BAJOS

CURSO CARACTERIZADO POR CAUDALES BAJODURANTE PERIODOS MUY PROLONGADOS

Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho Aumenta el riesgo de socavacin de las pilas en el cauce mayor Inestabilidad de mrgenes.

Para caudales bajos se desarrolla un cauce en el lecho Aumenta el riesgo de socavacin de las pilas en el cauce mayor

Inestabilidad de mrgenes.

Contraccin del ro Aumento de la velocidad

Contraccin del ro Aumento de la velocidad


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Erosin general. Inestabilidad de mrgenes

CURSOPRINCIPAL

CERR

ADO

BARRA

Erosin general. Inestabilidad de mrgenes

TRIBUTARIO

EXCESO DE SEDIMENTOS EN EL PUENTE DEBIDO A LA PRESENCIA

DE UN TRIBUTARIO INMEDIATAMENTE AGUA ARRIBA


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PUENTE CON ABERTURA REDUCIDA POR LAAGRADACIN DE SU LECHO

Socavacin del lechoPosibles cambios morfolgicos del ro.Erosin localizada

Socavacin del lechoPosibles cambios morfolgicos del ro.


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LECHO ORIGINAL

EROSIN

LOCALIZADA

SOCAVACIN A

PIE DE PRESA

Posible inestabilidad de mrgenes.Posible destruccin de la estructurapor falla de la presa.

Erosin localizadaPosible inestabilidad de mrgenes.Posible destruccin de la estructurapor falla de la presa.

DESCARGA DE AGUA LIMPIA

LECHO FINAL

REDUCCIN DEL APORTE DE SEDIMENTOS DESDE AGUAS ARRIBA

Sedimentacin Disminucin de la seccin del canal

Sedimentacin Disminucin de la seccin del canal


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Cambios en la geometra del ro Aumento de los niveles de crecida Cambios en la geometra del ro Aumento de los niveles de crecida

DEPOSICION

REPRESA

AUMENTO DEL NIVEL

ELEVACIN DEL NIVEL AGUAS ABAJO

PUENTE

EROSI

N

RETROG

RADA

Erosin retrgrada. Socavacin local ygeneralizada.

Inestabilidad de las mrgenes

Erosin retrgrada. Socavacin local ygeneralizada.

Inestabilidad de las mrgenes


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TRIBUTARIO

DISMINUCIN DE LOS TIRANTESAGUAS ABAJO DEL PUENTE

EROSIN RETROGRADA DISMINUCIN

CURSOPRINCIPALT

RIBUT

AR

IO

SENTIDO

DELFLUJO

DEL NIVEL

CURSO PRINCIPAL

D. ESTUDIOS DE HIDRULICA PARA EL


88/123

DISEO DE PUENTES

Clculo de perfiles de flujo. Problemas de socavacin.

Fuerzas sobre pilares de puentes. Pasos a seguir en los Estudios Hidrulicos

Control de erosin en puentes y en lasestructuras de proteccin

Clculo de los perfiles de flujo


89/123

Ecuacin de continuidad Ecuacin de la energa

Ecuacin de la cantidad de

movimiento


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DEFINICIN TPICA DE LA CONTRACCIN DEL FLUJO EN UN

PUENTE SOBRE UN RIO CON LLANURAS DE INUNDACION



91/123



92/123

Tipos de socavacin

V i i d l i l d l l l


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Variaciones del nivel del cauce a lo largode ro

Socavacin por contraccin Socavacin local

En pilares En estribos

En diques

Erosin total= General+Contraccin+Local

Variaciones del nivel del cauce a lo

l d l ( l)


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largo del ro (general)

AgradacinElevacin del nivel del cauce

Socavacin general

Disminucin del nivel del cauce

Clculo de la Socavacin - Mtodo de LISCHTVAN-LEBEDIEV

Pte Rio Tomas Seccin 0+010 Aguas Arriba


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Pte Rio Tomas Seccin 0+010 Aguas Arriba

541.00

542.00

543.00

544.00

545.00546.00

547.00

548.00

549.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00

x (m)

Cota(msn

m)

Cota Terreno en estiaje Nivel de aguas Cota Socavada

Erosin mxima =1.73 m

CLCULOS

S i l l


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Socavacin local

En pilares En estribos

En diques En espigones

ESQUEMA


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ESQUEMAGENERAL DELFLUJO

ALREDEDORDE UN PILARCON FRENTE

REDONDEADO

MEC NISMO DE EROSIN LOC L

EN PIL RES

DE PUENTES

Vrtice

MEC NISMO DE EROSIN LOC L

EN PIL RES

DE PUENTES

V ti


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Vrtice

deHerradura

Vrticede

Estela

Vrticede

Estela

VrticedeHerradura


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ESQUEMA DEL FLUJO ALREDEDOR DE UN PILAR CIRCULAR


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Flujo Flujo


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Tpico problema de escombros atrapados

en pilar circular.


102/123

PRESENCIA DEESCOMBROS EN PILARES

DE PUENTES

PRESENCIA DEESCOMBROS EN PILARES

DE PUENTES


103/123

VISTA DE SOCAVACIN LOCAL EN PILAR FUNDADO SOBREPILOTES Y ESCOMBROS ATRAPADOS POR STE.


104/123

COLOCACIN DE CAISSONS PARA CIMENTACIN DE PILARES DE

PUENTES.

Estribo

y LSup


105/123

y Luperficiedeagua

Caud

al

Angulo.

Canal

Princ

ipal

Talud

1:1

Fondo

sin erosin

Flujo

ESQUEMA GENERAL DE UN ESTRIBO DE PUENTE SOBRE UN

RIO


106/123

CARACTERISTICAS DEL FLUJO SOBRE UN ESTRIBO DE

PUENTE

SENTIDO

DEL FLUJO


107/123

SIMULACIN DE SOCAVACIN EN ESTRIBO

TPICO


108/123

En pilares

DIVERSAS CLASES DE EROSIN QUE AFECTAN A LOS PUENTES

E. Estructuras de Proteccin


109/123

Proteccin de Pilares

Proteccin de Estribos Proteccin de Riberas

Niveldel lecho

natural Nivel luego de la

erosin general

Flujo

PILAR

ENROCADO DE


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Erosin Local Enrocado deproteccin

PILAR a

2.5 a

3.0 a

a

PROTECCIONALREDEDOR DE

UN PILAR,RECOMENDADOPOR GALES

Proteccin de Estribos


111/123

Sustituir el material erosionable del fondo,al pie del estribo, con un enrocado

Colocar en el extremo de cada estribo undique de encauzamiento o dique gua


112/123

PROTECCIN DE LOS ESTRIBOS DE PUENTE MEDIANTE CAJAS DEGAVIONES


113/123

ESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONESQUEMA GENERAL DE UN DIQUE GUIA PARA ENCAUZAR UN RIO CONMEANDMEANDROS.ROS.


114/123

Ubicacin de diques gua en un puente

Proteccin de Riberas


115/123

Enrocados de Proteccin, o conotros elementos

Diques de encauzamiento

Gaviones Muros de concreto

Espigones

ENROCADO


116/123


117/123


118/123


119/123


120/123


121/123


122/123


123/123

OBRAS DE DEFENSA SOBRE TALUD DE DIQUE USANDO COLCHONESDE GAVIONES

Documents

Hidraulica en Presas y Puentes