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Degree thesis in Spanish in Science and engineering of water.
Typology: Study notes
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Estudio estadístico del inicio del movimiento en las protecciones contra la erosión en obras fluviales. Diseño de las instalaciones y experimentos con aplicación a pilas de puente y protección de orillas.
Autor: Cristina Fernández López Tutor: Allen Bateman Pinzon
Cualquier punto de encuentro entre las obras de ingeniería civil y los cauces fluviales requiere de un estudio detallado de la interacción entre ambos. La erosión local en pilas de puente y estribos, resulta ser el principal factor causante del fallo de la estructura, al menos el 90% de las veces, Richardson et al. (1993). No solo la erosión local afecta a la estructura ya que además se debe considerar una erosión transitoria inherente a las grandes avenidas, como es el caso de los ríos de España, que aunque se restablece una vez retomado el caudal ordinario, puede llegar a afectar a las estructuras de manera irreversible.
Entre la gran variedad de elementos que se han venido utilizando a lo largo de la historia para la protección de pilas de puente, estribos, márgenes de río etc. destaca entre ellos la protección con escollera, siendo hoy en día uno de los más utilizados en todo el mundo debido a sus características de flexibilidad, larga duración facilidad de puesta en obra, reparación y apariencia natural.
La metodología de dimensionamiento de escolleras actual presenta una serie de limitaciones, no consideran la graduación de la escollera, la colocación (vertida o conformada) así como los efectos turbulentos que se produce alrededor de estas. Algunos métodos utilizan la velocidad como parámetro de cálculo, y otros la tensión de fondo, ambos comparan estos valores con los valores críticos de inicio de movimiento determinados por el conocido diagrama de Shields. La mayor parte de los métodos basados en este concepto utilizan un valor constante del coeficiente de Shields, para casos de flujo turbulento rugoso, o leyes de velocidad de tipo logarítmico para relacionar velocidad con tensión tractiva. Dado que algunos investigadores han encontrado que el coeficiente de Shields varía con la rugosidad relativa y otros que las leyes logarítmicas de velocidad están también afectadas por ésta, resulta que muchos de los métodos de cálculo del tamaño de roca basados en conceptos de rugosidad relativa podrían no resultar aplicables.
A menudo las protecciones de escollera son arrastradas por el flujo, dejando a su suerte a la estructura, en gran parte debido a las incertidumbres ya comentadas. Muchas veces esta escollera, y el sedimento en general, se mueve antes de que se alcance la tensión crítica en el fondo, debido a que existen fluctuaciones en la velocidad y tensión que no son contempladas por la formulación actual.
En la presente tesina se propone una metodología probabilística del cálculo de la tensión crítica en el fondo, es decir, que probabilidad tienen las piedras de moverse para cada porcentaje de la tensión crítica alcanzado, en función de estas fluctuaciones turbulentas.
Esto se realizará mediante el análisis de resultados de velocidad instantánea cerca del lecho realizados para una serie de escenarios en los que se definen diferentes parámetros tales como, tamaño de piedra, pendiente longitudinal, vertido o conformado de la escollera, cementado o no de la escollera, etc. Para el caso de escollera de protección de fondo y talud (revestimiento), protección de pilas y de traviesas. Por lo tanto se buscará una formulación que contemple los fenómenos inherentes a cada escenario.
Statistical study of the incipient motion of the protection against erosion in river works. Facility design and experiments with application to bridge piers and shore protection.
Author: Cristina Fernández López Supervisor: Allen Bateman Pinzon
Any meeting point for civil engineering works and river channels requires a detailed study of the interaction between them. The local scour at bridge piers and abutments, happens to be the main factor causing the failure of the structure, at least 90% of the time, Richardson et al. (1993). Not only local erosion affects the structure and also should be considered a temporary erosion inherent to large avenues, such as the rivers of Spain, which although is reset once resumed regular flow, can potentially affect irreversibly structures.
Among the wide variety of items that have been used throughout history to protect bridge piers, abutments, river margins etc. highlights including riprap protection, is today one of the most used around the world because of their flexibility, durability ease of laying, repair and natural appearance.
The sizing methodology current riprap has a number of limitations, do not consider the riprap graduation, placement (poured or placed) and the turbulent effects that occurs around these. Some methods use the velocity as parameter calculation, and other stress bottom, both compare these values with the critical values of start of movement determined by the well-known Shields diagram. Most of the methods based on this concept using a constant Shields coefficient for rough turbulent flow cases, or logarithmic laws velocity to stress link velocity. Because some researchers have found that Shields coefficient varies with the relative roughness and other logarithmic laws velocity are also affected by this, is that many of the methods for calculating the rock size based on relative roughness concepts may not be applicable.
Often riprap protections are entrained by the flow, leaving his fortune to the structure, largely due to the uncertainties already mentioned. Often this riprap and sediment generally moves before it reaches the critical stress at the bottom, because there are fluctuations in the velocity and stress which are not contemplated by the present formulation.
In the present work we propose a probabilistic methodology for calculating the critical stress at the bottom, ie, the probability that the stones are moving for each percentage of the critical tension achieved, in terms of these turbulent fluctuations.
This will be done by analyzing results of instantaneous velocity near the bed made for a number of scenarios in which different parameters are defined such as stone size, longitudinal slope, pour or placed the rip rap, grouted or not the riprap etc.. In the case of lining riprap, pier protection and abutments. Therefore we seek a formulation that includes the phenomena inherent in each scenario.
It also introduces the concept of partially grouted riprap, very useful in cases where due to the construction site is not possible to obtain adequate riprap sizes, smaller stones can be conglomerate to achieve larger sizes, thereby reducing the cost and environmental affection which involves the use of large diameters. This method is not currently implemented in Spain, there is no relationship of itself to select the size of the rock, there isn't a consideration other than the void size, gradation and proper contact area stone by stone to secure the connection among these.
It aims to create a guide for the design, construction and maintenance of riprap protections, ranging from poured and placed riprap or riprap partially grouted, which regulates the sizing, constructability, used materials, construction methods, use of filters, inspection and maintenance.
This thesis summarizes much of the work carried out for this research, we recommend reading the Preface to a more precise understanding of the true scope of the dissertation.
necesidad de llevar corriente hasta ese punto, así como muchos imprevistos que no se habían considerado inicialmente. Así pues otro limitante ha sido la realización de este laboratorio con el presupuesto previsto para la adecuación del canal del Campus Nord, que era de 50.000 euros para el canal y de 30.000 euros para el bombeo.
Se hace esta observación ya que la realización de un diseño acorde con las necesidades técnicas y económicas del proyecto ha sido una tarea complicada y larga, en primer lugar porque el cambio de ubicación del canal requería de una aprobación por parte del Ministerio, por lo que hasta que no fue aprobado la construcción en el recinto del Agrópolis, no se pudo comenzar a construir. Esta aprobación se recibió en Febrero de 2013, y la construcción del canal comenzó a principios de Marzo. El plazo de ejecución era de 2 meses, finalmente ha sido de 3 debido a los días de lluvia y a la coordinación con el sistema de bombeo.
Finalmente la construcción del canal se demora 7 meses respecto a lo previsto en un inicio, siendo su puesta en marcha, (con el sistema de bombeo por terminar, solo se dispone en este momento de una bomba en lugar de dos) el día 19 de Junio, y llevándose a cabo tan solo la calibración del canal y medidas de caudal.
Por lo tanto todos los ensayos previstos para la realización de esta tesina no se han podido realizar, no obstante, se adjuntan todos los trabajos realizados hasta el momento para el diseño de los experimentos, revisión exhaustiva de la bibliografía y normativa Europea y Americana, así como una adaptación previa a la normativa Española.
Aunque el diseño, dimensionamiento, cálculo y construcción del canal no representa los objetivos de una tesina de investigación se incluye en la presente Tesina ya que ha sido un trabajo laborioso que ha requerido de diferentes alternativas y escenarios, para ajustarse a los requerimientos de la investigación, por lo que al que tiene una carga de trabajo importante. Por estos motivos pretendo darle un peso en la presente Tesina.
Además realizan estudios mediante modelos hidráulicos sobre el futuro funcionamiento del canal, tanto para validarlo hidráulicamente como para validar la practicidad de los experimentos y poder realizar una planificación más precisa.
No obstante se expone el desarrollo conceptual y teórico a seguir por los experimentos. Se plantean los conceptos más importantes y se realizan cálculos al respecto mediante el uso de una serie de datos obtenidos por el mismo dispositivo ADV (Velocímetro) que se utilizará en los experimentos, que aunque no resultan demasiado representativos del fenómeno a estudiar nos servirán para definir las variables más importantes a definir en nuestro estudio.
Aprovecho esta oportunidad para agradecerle a mi familia el apoyo incondicional que me han dado durante todo el transcurso del Máster y en especial durante este final de trayecto.
Gracias a Santiago por sus críticas constructivas y a la superación personal que exige el estar a su lado.
Gracias a mis amigos por haber sabido respetar mis ausencias en muchos momentos, y a su disposición a ayudarme en cualquier cosa que me fuera necesaria.
Gracias a mis compañeros del grupo GITS, Vicente, Alberto, Anna, Francesco, Khaled... que siempre han estado dispuestos siempre a echarme una mano y a consolarme y darme ánimos cuando han surgido contratiempos,
Gracias a Allen que siempre ha sabido encontrar un hueco para atender mis dudas y a guiarme durante la ejecución de la tesina.
Espero que todo marche igual o mejor que hasta ahora.
Muchas gracias a todos!
3.2. SENSOR NORTEK. (Acoustic-Doppler Velocimeter) ........................................... 21 3.3. MEDICIÓN DE PRESIONES ............................................................................ 26 3.4. MEDICIÓN DE CAUDAL ................................................................................ 27 3.5. MEDIDAS DE CALADOS ................................................................................ 30
Capítulo 1. Introducción
Toda estructura implantada en un cauce fluvial requiere del estudio detallado de interacción entre río/estructura. En general esta interacción se refleja en estudios de sobreelevación o de erosión únicamente. Estos estudios son suficientes para dimensionar las estructuras, mantener un resguardo hidráulico sobre las estructuras para avenidas determinadas y colocación de las cimentaciones para protegerlas de la erosión. No obstante no debemos olvidar que estos cálculos se realizan en gran parte sujetos a parámetros empíricos, por lo que no siempre podemos asegurar el no fallo de la estructura aun habiendo realizado los cálculos correctamente.
El fenómeno de sobreelevación por obstrucción de ríos es una causa de fallo de servicio de la estructura. Es por ejemplo el caso de un puente en el que la sobreelevación del rio pueda producir inundaciones que impidan que la estructura sea capaz de dar el servicio para el que fue concebida. No obstante el puente sigue manteniéndose en pie.
En el caso de la erosión la repercusión puede ser mayor, ya que un fallo en la cimentación, como lo es el descalce de la misma por el arrastre del material alrededor y bajo ella, puede desembocar en el colapso y posterior fallo de la Estructura. Eduardo Martínez (2000) cita un estudio de la U.S. Federal Highway Administration del año 1973, en el que de 383 fallos observados en puentes, el 97% fueron debidos a problemas hidráulicos de erosiones locales: 25% en pilas y 72% en estribos. Es decir, solo el 3% de los fallos registrados se deben a causas no relacionadas con la hidráulica.
Frente a estas interacciones se proponen medidas de mitigación, tales como protección con escollera, que es el caso que nos ocupa en la presente tesina.
Existen otras medidas correctoras o preventivas para la erosión como técnicas de restauración fluvial, bioingeniería etc. Estas medidas pertenecen al grupo de medidas llamadas Ingeniería blanda.
El grupo de medidas recogidas en Ingeniería dura, son de mayor agresividad frente al medio natural, pero ineludibles en los casos donde la seguridad debe primar. La Ingeniería Dura en general es más agresiva y costosa, las líneas tradicionales de acción se pueden agrupar como:
La escollera es el elemento más comúnmente utilizado para la protección frente la erosión en ríos, y más concretamente frente a la erosión local.
Capítulo 1. Introducción
permitida por falta de Normativa y guías de recomendaciones que controlen la implantación de este método.
Los ríos y torrentes de España, tienen características diferentes a otros ríos de mundo, por lo que necesitan de una adaptación de la normativa y metodología de uso de la escollera. En general se trata de ríos de pendiente elevada y de régimen fluvial sujetos a grandes avenidas estacionales, por lo que resultan ser también muy erosivos.
La aplicación de las conclusiones y guías metodológicas existentes a la realidad presente en España es complicada debido a ciertas diferencias fundamentales en los procedimientos constructivos, las normativas y los materiales disponibles. Este es el punto clave en el que se fundamenta el presente estudio, los experimentos a realizar permitirán adaptar esta metodología a los procedimientos constructivos disponibles en España y a sus normativas.
En España no existe una normativa regulada en cuanto al control de la erosión fluvial, ni una guía de diseño para la protección de márgenes de ríos o de obras hidráulicas, tan solo el documento “Control de la erosión fluvial en puentes” M.O.P.T. de 1988, que actualmente se encuentra descatalogado. En este se encuentran una guía y metodología para el cálculo del diámetro mínimo de escollera en función de la velocidad del flujo y de la densidad de la escollera.
El tema que aborda el presente estudio sigue las líneas de estudio propuestas en Estados Unidos, Alemania, Inglaterra etc. por lo tanto es de vital interés realizar una revisión de las diferentes normativas.
Destacan por encima de todos los trabajos el proyecto llevado a cabo por el “National Cooperative Highway Research Program” en EE.UU. y denominado “NCHRP Project 24-07”. Donde con un objetivo ambicioso se realiza un análisis crítico de todas las metodologías utilizadas en EE.UU. y en Europa de cara a realizar unas recomendaciones de amplio alcance tanto en el cálculo de los riesgos fluviales como en el diseño de las medidas de mitigación. Dicho estudio incluye también una parte experimental para tratar de dilucidar cuales de las formulaciones existentes se adaptan mejor a la realidad experimental.
Se estudian también diversas publicaciones emitidas por el Department of the army U.S Srmy corps of Enginee (USACE) y el Federal Highway Administratios (FHWA) de EE.UU.
También destacan los trabajos realizado por el Federal Waterway Engeneering and Research Institute (Bundesanstalt für Wasserbau - BAW) en Alemania que tiene publicaciones diversas como recomendaciones, guías y códigos de buena práctica, así como una normativa muy extendida sobre el uso del cementado de escollera.
Por otra parte quedan algunos elementos importantes que fueron inexplorados en trabajos anteriores, la repercusión económica del hecho de usar escollera vertida o conformada son evidentes, no así la repercusión en la protección de los cauces. Añadir un factor de corrección asociado al tipo de puesta en obra ayudará al dimensionamiento.
En el Capítulo 3 de Estado del Arte se profundizará en las metodologías utilizadas en otros países y los estudios experimentales realizados al respecto.
Capítulo 1. Introducción
El presente estudio se centra en la creación de una guía para el diseño, construcción y mantenimiento de protecciones de escollera, abarcando desde escollera vertida, conformada o parcialmente cementada. La aplicabilidad de ésta se centra en la protección de lecho del rio y talud, frente la erosión general transitoria, y la protección de estructuras hidráulicas como son las pilas de puente y traviesas, frente a la erosión local.
El diseño de una medida preventiva frente a la erosión mediante escollera parcialmente cementada requiere el conocimiento de lecho del río y el material de base; condiciones de flujo, velocidad, la profundidad y la orientación, características del tamaño de escollera, densidad, durabilidad y disponibilidad, y el tipo de material de interfaz entre el manto de escollera y el terreno subyacente.
La protección de pilas de puente también requiere del conocimiento del tamaño de la pila, la forma y la inclinación con respecto a la dirección del flujo. Un sistema PGR (Partially Grouted Riprap) incluye típicamente una capa de filtro, o bien una tela geotextil o un filtro de arena y / o grava, específicamente seleccionado para la compatibilidad con el subsuelo. El filtro permite la infiltración en ambos sentidos y a la vez retiene los finos del lecho evitando su lavado.
Con escollera parcialmente cementada, no hay relaciones de por sí para seleccionar el tamaño de la roca, que no sean las consideraciones prácticas de tamaño de hueco, la gradación y el área de contacto adecuada de piedra a piedra para asegurar la unión entre estas.
Los métodos de diseño de escollera generalmente obtienen un tamaño de piedra que ofrece un rendimiento estable bajo las cargas de diseño. La intención del cementado parcial es unir las piedras para crear un conglomerado de partículas. Cada conglomerado es por lo tanto significativamente más grande que el tamaño de la piedra d50, y mayor que el tamaño de las piedras D100 individuales en la matriz de escollera.
Es muy importante la gradación de escollera ya que para diámetros más pequeños que los designados el aglutinante no podrá penetrar eficazmente a la profundidad requerida dentro de la matriz de la roca, mientras que escollera mayor que la gradación designada tendrá huecos que son demasiado grandes para retener el aglutinante, y no tiene suficiente área de contacto entre las piedras para conseguir el pegado de manera efectiva.
El proyecto aquí presentado pretende el análisis conjunto de todas las metodologías en las que se vea involucrado el uso de escollera (escollera vertida, escollera conformada, escollera cementada, escollera parcialmente cementada…), tratando de dar una visión de conjunto y un manual de recomendaciones y buena praxis. Para ello se procederá de diferentes maneras, desde el compendio bibliográfico hasta la realización de experimentos en laboratorio.
Las virtudes de dicho estudio se deben evidenciar en forma de una serie de criterios sencillos que permitan seleccionar el sistema de protección frente a la erosión adecuado para obtener una protección segura y económica. La optimización en el uso de la escollera
Capítulo 1. Introducción
inicio del movimiento de la partícula, que finalmente produce que esta se mueve antes de que la tensión media alcance la tensión crítica.
En el capítulo 5. Desarrollo teórico de los experimentos, se definen estos conceptos y se desarrollan los conceptos teóricos que se llevaran a cabo por los experimentos.
5.2. ADAPTACIÓN A LA NORMA ESPAÑOLA AL "PGR"
Esta técnica se desarrolló originariamente en Alemania (BAW, 1990; BAW, 1991; BAW, 1993; Heibaum, 2000) y es de reciente introducción en EE.UU (Lagasse,1998; Lagasse et al. 2007) así como en Reino Unido (Escarameia, 1998), debido a la inmediata reducción de costes que implica. Consiste en el uso de escollera de pequeño tamaño que se agrupa mediante el uso de algún conglomerante reproduciendo el comportamiento de escollera de mayor dimensión, pero con un coste global notablemente reducido. Además el impacto ambiental resulta menor por poderse utilizar escollera local que incumple las prescripciones de diseño originales.
Dicha técnica debe adaptarse a los requerimientos de normativización española, tanto en los criterios de control de calidad de los materiales como de la puesta en obra. Los escenarios hidrológicos e hidráulicos que se encuentran en nuestro país difieren de los que se presentan en los países de origen. Debe comprobarse el rango de aplicabilidad del método bajo la caracterización para la hidráulica fluvial de la península.
5.3. ANÁLISIS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL "PGR"
Tanto los áridos utilizados como los conglomerantes pueden obtenerse de un amplio espectro de fuentes. La posibilidad de reciclar material de construcción como árido existe, así como usar diferentes conglomerantes de origen químico (resinas epóxicas, acrílicas…).
Deben crearse una base de datos de materiales disponibles o interesantes y validar aquellos que resulten aptos para el método.
5.4. CONTRASTE DE FILTROS GRANULARES VS GEOTEXTILES
Para una correcta ejecución de todas las obras de protección debe disponerse una capa de filtrado del suelo, para evitar el lavado de finos, donde sea necesario. Esta función se puede realizar mediante el uso de materiales sintéticos o mediante filtros granulares. La diferencia de precio entre ambos es notable, por otra parte las diferencias en cuanto a adecuación al problema no son perfectamente conocidas.
Por lo tanto se debe analizar su funcionalidad desde el punto de vista de la hidráulica fluvial realizando las baterías de experimentos correspondientes y midiendo los parámetros de funcionamiento más adecuados para cuantificar la capacidad de protección.
5.5. INFLUENCIA DEL CONFORMADO DE ESCOLLERA
Los criterios de dimensionado del tamaño de escollera se fundamentan en la teoría del inicio de movimiento de los elementos granulares. En dicha teoría no aparece de forma explícita el hecho de que el material este conformado como una superficie lisa o se trate de un material sencillamente vertido.
Capítulo 1. Introducción
Dicha influencia puede traducirse en una modificación del tamaño de piedra necesario para obtener la estabilidad. La ejecución como piedra conformada incremente los costes de puesta en obra, pero en el caso de reducirse el tamaño puede significar una mejora económica notable.
La erosión local en pilas ha sido estudiada en detalle durante años. Sin embargo a pesar de ser un tema extensamente tratado por múltiples autores que han formulado teorías y modelos morfodinámicos para predecir la erosión máxima y el tiempo que tardaría en alcanzarse, no se ha conseguido explicar el fenómeno físico que da lugar a la erosión local.
El tema que se aborda en este proyecto no es tanto el de la determinación de la erosión local sino en la metodología de protección para evitar la misma. Un buen dimensionamiento y colocación de escollera evitará costes innecesarios durante la construcción de una estructura hidráulica o protecciones en cauces fluviales. Además también se ahorraría en coste, debido a que reparar una infraestructura dañada es mucho mayor que el de construirlo des del principio con las medidas adecuadas.
La protección de las pilas con escollera es una de las principales medidas preventivas contra la erosión local en condiciones de avenida.
Por lo tanto la investigación tiene dos enfoques,
En el prólogo se ha expuesto los motivos por los que finalmente el alcance de esta tesina difiere de los previstos en un inicio. No obstante se intenta no dejar ningún tema pendiente por desarrollar y darle así un carácter investigador con resultados y conclusiones al respecto.
En el siguiente apartado se define la estructuración del documento y el resumen del contenido en cada uno de los capítulos.
El presente documento está dividido en 5 capítulos. Se ha decidido presentar de esta manera ya que cada uno de los capítulos se refiere a temas bien diferenciados que poseen una metodología y conclusiones propias, por lo que se trata de documentos bien diferenciados. A continuación se enumeran cada uno de ellos y un pequeño resumen de su contenido.
