La erosión de los puentes es la eliminación de sedimentos , como arena y grava , de los estribos o pilares de los puentes . La erosión hidrodinámica , causada por el agua que fluye rápidamente, puede crear agujeros de erosión , lo que compromete la integridad de una estructura. [1]
En los Estados Unidos , la erosión de los puentes es una de las tres principales causas de falla de los mismos (las otras son las colisiones y las sobrecargas). Se ha estimado que el 60% de todas las fallas de los puentes se deben a la erosión y otras causas relacionadas con la hidráulica. [2] Es la causa más común de falla de los puentes de las carreteras en los EE. UU., [3] donde 46 de las 86 fallas más importantes de los puentes se debieron a la erosión cerca de los pilares entre 1961 y 1976. [4]
El agua normalmente fluye más rápido alrededor de los pilares y estribos, lo que los hace susceptibles a la erosión local. En las aberturas de los puentes, la erosión por contracción puede ocurrir cuando el agua se acelera al fluir a través de una abertura que es más angosta que el canal aguas arriba del puente. La erosión por degradación ocurre tanto aguas arriba como aguas abajo de un puente en áreas extensas. Durante largos períodos de tiempo, esto puede provocar el descenso del lecho del río . [2]
La inestabilidad del cauce fluvial, que provoca erosión fluvial y cambios en los ángulos de ataque, puede contribuir a la erosión de los puentes. Los escombros también pueden tener un impacto sustancial en la erosión de los puentes de varias maneras. Una acumulación de material puede reducir el tamaño del curso de agua debajo de un puente, lo que provoca erosión por contracción en el canal. Una acumulación de escombros en el estribo puede aumentar el área de obstrucción y aumentar la erosión local . Los escombros pueden desviar el flujo de agua, cambiando el ángulo de ataque y aumentando la erosión local. Los escombros también pueden desplazar todo el canal alrededor del puente, lo que provoca un aumento del flujo de agua y erosión en otra ubicación. [3]
Los problemas de erosión de puentes que se presentan con mayor frecuencia suelen estar relacionados con material aluvial suelto que se erosiona fácilmente. No se debe suponer que la erosión total en suelos cohesivos o cementados no será tan grande como en suelos no cohesivos; la erosión simplemente tarda más en desarrollarse.
Muchas de las ecuaciones para la erosión se derivaron de estudios de laboratorio, cuyo rango de aplicabilidad es difícil de determinar. La mayoría de los estudios se centraron en formaciones de pilares y pilotes , aunque la mayoría de los problemas de erosión de los puentes están relacionados con la configuración más compleja del estribo del puente. Algunos estudios se verificaron utilizando datos de campo limitados, aunque esto también es difícil de escalar con precisión para fines de modelado físico. Durante las mediciones de campo de la erosión posterior, un agujero de erosión que se había desarrollado en la etapa ascendente de una inundación, o en el pico, puede volver a llenarse en la etapa descendente. Por esta razón, la profundidad máxima de erosión no puede modelarse simplemente después del evento.
La erosión también puede causar problemas en el análisis hidráulico de un puente. La erosión puede profundizar considerablemente el canal que atraviesa un puente y reducir o incluso eliminar eficazmente el remanso . Sin embargo, no se debe confiar en esta reducción del remanso debido a la naturaleza impredecible de los procesos involucrados.
Al considerar la erosión, es normal distinguir entre sedimentos no cohesivos o sin cohesión (aluviales) y material cohesivo. Los primeros suelen ser los de mayor interés para los estudios de laboratorio. Los materiales cohesivos requieren técnicas especiales y están poco estudiados.
La primera cuestión importante que se plantea al considerar la erosión es la distinción entre erosión en aguas claras y erosión en lecho vivo . La cuestión crítica es si la tensión cortante media del lecho del flujo aguas arriba del puente es menor o mayor que el valor umbral necesario para mover el material del lecho.
Si la tensión de corte aguas arriba es menor que el valor umbral, el material del lecho aguas arriba del puente está en reposo. Esto se conoce como condición de agua clara porque el flujo de aproximación es claro y no contiene sedimentos. Por lo tanto, cualquier material del lecho que se extrae de un pozo de erosión local no es reemplazado por sedimentos transportados por el flujo de aproximación. La profundidad máxima de erosión local se logra cuando el tamaño del pozo de erosión da como resultado una reducción local de la tensión de corte hasta el valor crítico, de modo que el flujo ya no puede extraer material del lecho del área erosionada.
La erosión del lecho vivo se produce cuando la tensión de corte aguas arriba es mayor que el valor umbral y el material del lecho aguas arriba del cruce se está moviendo. Esto significa que el flujo de aproximación transporta continuamente sedimentos hacia un agujero de erosión local. Por sí solo, un lecho vivo en un canal uniforme no causará un agujero de erosión; para que esto se cree, se necesita un aumento adicional de la tensión de corte, como el causado por una contracción (natural o artificial, como un puente) o una obstrucción local (por ejemplo, un pilar de puente). La profundidad de erosión de equilibrio se logra cuando el material se transporta hacia el agujero de erosión a la misma velocidad a la que se transporta hacia afuera.
Por lo general, la erosión máxima en equilibrio en aguas claras es aproximadamente un 10 % mayor que la erosión en equilibrio en el lecho vivo. Las condiciones que favorecen la erosión en aguas claras incluyen el material del lecho que es demasiado grueso para ser transportado, la presencia de canales reforzados con vegetación o artificiales donde las velocidades solo son lo suficientemente altas debido a la erosión local, o pendientes de lecho planas durante caudales bajos.
Es posible que se produzcan tanto socavaciones en aguas claras como en lechos vivos. Durante una inundación, la tensión de corte del lecho puede cambiar a medida que cambian los caudales de la inundación. Es posible tener condiciones de aguas claras al comienzo de una inundación, pasando a un lecho vivo antes de volver a condiciones de aguas claras. Tenga en cuenta que la profundidad máxima de socavación puede ocurrir en condiciones iniciales de aguas claras, no necesariamente cuando los niveles de inundación alcanzan su punto máximo y la socavación del lecho vivo está en marcha. De manera similar, se pueden experimentar velocidades relativamente altas cuando el flujo está contenido dentro de los bancos, en lugar de extenderse sobre las llanuras de inundación en el caudal máximo.
La urbanización tiene el efecto de aumentar la magnitud de las inundaciones y hacer que los hidrogramas alcancen su punto máximo antes, lo que da lugar a velocidades más altas de los cursos de agua y a una mayor degradación. Las mejoras en los canales o la extracción de grava (por encima o por debajo del lugar en cuestión) pueden alterar los niveles de agua, las velocidades de flujo, las pendientes del lecho y las características del transporte de sedimentos y, en consecuencia, afectar la erosión. Por ejemplo, si un canal aluvial se endereza, ensancha o altera de cualquier otra manera que dé lugar a una condición de mayor energía de flujo, el canal tenderá a volver a un estado de menor energía degradándose aguas arriba, ensanchándose y agradándose aguas abajo.
La importancia de la erosión por degradación para el diseño de puentes es que el ingeniero debe decidir si es probable que la elevación del canal actual se mantenga constante durante la vida útil del puente o si cambiará. Si es probable que haya cambios, se deben tener en cuenta al diseñar la vía fluvial y los cimientos.
La estabilidad lateral del cauce de un río también puede afectar la profundidad de la erosión, ya que el movimiento del cauce puede provocar que el puente quede mal posicionado o alineado con respecto al flujo de aproximación. Este problema puede ser significativo en cualquier circunstancia, pero es potencialmente muy grave en regiones áridas o semiáridas y con corrientes efímeras (intermitentes). Las tasas de migración lateral son en gran medida impredecibles. A veces, un cauce que ha sido estable durante muchos años puede comenzar a moverse de repente, pero las influencias significativas son las inundaciones, el material de las orillas, la vegetación de las orillas y las llanuras aluviales y el uso de la tierra.
La erosión en los sitios de los puentes se clasifica típicamente como erosión por contracción (o constricción) y erosión local. La erosión por contracción ocurre en toda una sección transversal como resultado del aumento de las velocidades y las tensiones de corte del lecho que surgen de un estrechamiento del canal por una construcción como un puente. En general, cuanto menor sea la relación de apertura, mayor será la velocidad de la vía fluvial y mayor el potencial de erosión. Si el flujo se contrae a partir de una llanura de inundación amplia, puede producirse una erosión considerable y un derrumbe de las orillas. Las constricciones relativamente severas pueden requerir un mantenimiento regular durante décadas para combatir la erosión. Es evidente que una forma de reducir la erosión por contracción es hacer la apertura más ancha.
La erosión local surge del aumento de las velocidades y los vórtices asociados a medida que el agua se acelera alrededor de las esquinas de los estribos, pilares y diques de contención.
El flujo que se aproxima se desacelera a medida que se acerca al cilindro y se detiene en el centro del pilar. La presión de estancamiento resultante es más alta cerca de la superficie del agua, donde la velocidad de aproximación es mayor, y menor en las zonas más bajas. El gradiente de presión descendente en la cara del pilar dirige el flujo hacia abajo. La erosión local del pilar comienza cuando la velocidad de flujo descendente cerca del punto de estancamiento es lo suficientemente fuerte como para superar la resistencia al movimiento de las partículas del lecho.
Durante una inundación, aunque los cimientos de un puente no sufran daños, el relleno detrás de los estribos puede erosionarse. Este tipo de daño suele ocurrir en puentes de un solo tramo con estribos en los muros verticales.
El proceso de examen normalmente lo llevan a cabo hidrólogos y técnicos hidrológicos , e implica una revisión de la información de ingeniería histórica sobre el puente, seguida de una inspección visual. Se registra información sobre el tipo de roca o sedimento que transporta el río y el ángulo en el que el río fluye hacia y desde el puente. También se inspecciona el área debajo del puente para detectar agujeros y otras evidencias de erosión.
La inspección de un puente comienza con una investigación de oficina. Se debe anotar el historial del puente y cualquier problema anterior relacionado con la erosión. Una vez que se reconoce que un puente es un puente con riesgo de erosión, se procederá a una evaluación adicional que incluye una revisión de campo, un análisis de vulnerabilidad a la erosión y la priorización. Los puentes también se clasificarán en diferentes categorías y se les asignará una prioridad en función del riesgo de erosión. Una vez que se evalúa que un puente es crítico en cuanto a erosión, el propietario del puente debe preparar un plan de acción para mitigar las deficiencias conocidas y potenciales. El plan puede incluir la instalación de contramedidas, monitoreo, inspecciones después de inundaciones y procedimientos para cerrar puentes si es necesario.
Como alternativa, también se están poniendo en marcha tecnologías de detección para la evaluación de la erosión. El nivel de detección de erosión se puede clasificar en tres niveles: inspección general del puente, recopilación de datos limitados y recopilación de datos detallados. [5] Hay tres tipos diferentes de sistemas de monitoreo de erosión: fijos, portátiles y de posicionamiento geofísico. Cada sistema puede ayudar a detectar daños por erosión en un esfuerzo por evitar la falla del puente, aumentando así la seguridad pública.
El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica N° 23 (HEC-23) contiene lineamientos generales de diseño como contramedidas contra la erosión que son aplicables a pilares y estribos. La numeración en la siguiente tabla indica la sección de lineamientos de diseño de HEC-23: [6]
Los vertederos, espolones y bancos guía en curvas pueden ayudar a alinear el flujo ascendente, mientras que el enrocado , los gaviones , los bloques de hormigón articulados y los colchones rellenos de lechada pueden estabilizar mecánicamente las pendientes de los pilares y los estribos. [6] El enrocado sigue siendo la contramedida más común utilizada para prevenir la socavación en los estribos de los puentes. Una serie de adiciones físicas a los estribos de los puentes pueden ayudar a prevenir la socavación, como la instalación de gaviones y el lanzamiento de piedras aguas arriba de la base. La adición de tablestacas o bloques de hormigón prefabricados entrelazados también puede ofrecer protección. Estas contramedidas no cambian el flujo de socavación y son temporales, ya que se sabe que los componentes se mueven o son arrastrados por una inundación. [7] La Administración Federal de Carreteras (FHWA) recomienda criterios de diseño en HEC-18 y 23, como evitar patrones de flujo desfavorables, racionalizar los estribos y diseñar cimientos de pilares resistentes a la erosión sin depender del uso de escollera u otras contramedidas.
Los canales de forma trapezoidal a través de un puente pueden reducir significativamente las profundidades de erosión local en comparación con los estribos de pared verticales, ya que proporcionan una transición más suave a través de la abertura de un puente. Esto elimina las esquinas abruptas que causan áreas turbulentas. Los diques de espolón , las barbas, los espigones y las veletas son estructuras de conducción de ríos que cambian la hidráulica del arroyo para mitigar la erosión o los depósitos indeseables. Por lo general, se utilizan en canales de arroyos inestables para ayudar a redirigir el flujo del arroyo a lugares más deseables a través del puente. La inserción de pilotes o zapatas más profundas también se utiliza para ayudar a fortalecer los puentes.
El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica N.º 18 (HEC-18) fue publicado por la FHWA e incluye varias técnicas para estimar la profundidad de socavación. Las ecuaciones empíricas de socavación para la socavación del lecho vivo, la socavación en aguas claras y la socavación local en pilares y estribos se muestran en la sección Socavación general del Capítulo 5. La profundidad total de socavación se determina sumando tres componentes de socavación que incluyen la agradación y degradación a largo plazo del lecho del río, la socavación general en el puente y la socavación local en los pilares o estribos. [8] Sin embargo, la investigación ha demostrado que las ecuaciones estándar en HEC-18 sobreestiman la profundidad de socavación para varias condiciones hidráulicas y geológicas. La mayoría de las relaciones de HEC-18 se basan en estudios de laboratorio de canalización realizados con sedimentos del tamaño de arena aumentados con factores de seguridad que no son fácilmente reconocibles o ajustables. [9] La arena y la grava fina son los materiales de lecho que se erosionan con mayor facilidad, pero los arroyos con frecuencia contienen materiales mucho más resistentes a la erosión, como till compacto, arcilla rígida y pizarra . Las consecuencias de utilizar métodos de diseño basados en un solo tipo de suelo son especialmente significativas para muchas provincias fisiográficas importantes con condiciones geológicas y materiales de cimentación claramente diferentes. Esto puede conducir a valores de diseño demasiado conservadores para la erosión en condiciones hidrológicas de bajo riesgo o no críticas. Por lo tanto, se siguen realizando mejoras en las ecuaciones en un esfuerzo por minimizar la subestimación y la sobreestimación de la erosión.
