erosión del puente

La erosión de puentes es la remoción de sedimentos como arena y grava alrededor de los estribos o pilares de los puentes . La erosión hidrodinámica , causada por el agua que fluye rápidamente, puede crear socavaduras , comprometiendo la integridad de una estructura. ^{[ 1 ]}

En Estados Unidos , la erosión de puentes es una de las tres principales causas de fallas en puentes (las otras son colisión y sobrecarga). Se estima que el 60% de todas las fallas de puentes se deben a la erosión y otras causas relacionadas con la hidráulica. ^{[ 2 ]} Es la causa más común de fallas en puentes de carreteras en EE. UU., ^{[ 3 ]} donde 46 de las 86 fallas importantes de 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, puede producirse erosión por contracción cuando el agua se acelera al pasar por una abertura más estrecha que el cauce aguas arriba del puente. La erosión por degradación se produce tanto aguas arriba como aguas abajo de un puente en grandes áreas. Con el tiempo, esto puede provocar el descenso del lecho del río . ^{[ 2 ]}

La inestabilidad del cauce, que provoca erosión fluvial y cambios en los ángulos de ataque, puede contribuir a la socavación de los puentes. Los escombros también pueden tener un impacto sustancial en la socavación de los puentes de diversas maneras. La acumulación de material puede reducir el tamaño del cauce bajo un puente, provocando socavación por contracción. La acumulación de escombros en el estribo puede aumentar el área de obstrucción y la socavación local . Los escombros pueden desviar el flujo de agua, cambiando el ángulo de ataque y aumentando la socavación local. Los escombros también podrían desplazar todo el cauce alrededor del puente, provocando un aumento del flujo de agua y la socavación en otro lugar. ^{[ 3 ]}

Los problemas de erosión de puentes más frecuentes suelen estar relacionados con material aluvial suelto que se erosiona con facilidad. No debe suponerse que la erosión total en suelos cohesivos o cementados será menor que en suelos no cohesivos; simplemente, la erosión 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 pilares y formaciones de pilotes , aunque la mayoría de los problemas de erosión en puentes están relacionados con la configuración más compleja del estribo. Algunos estudios se verificaron utilizando datos de campo limitados, aunque esto también dificulta su escalado preciso para fines de modelado físico. Durante las mediciones de campo de la erosión posterior, un socavón que se haya formado durante la fase ascendente de una inundación, o en el pico, puede volver a rellenarse durante la fase 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. Puede profundizar considerablemente el canal a través del puente y reducir o incluso eliminar 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 habitual distinguir entre sedimentos no cohesivos (aluviales) y materiales cohesivos. Los primeros suelen ser los de mayor interés para los estudios de laboratorio. Los materiales cohesivos requieren técnicas especiales y han sido poco investigados.

La primera cuestión importante al considerar la erosión es la distinción entre la erosión en aguas claras y la erosión en lechos vivos . El aspecto crucial es si la tensión cortante media del lecho del flujo aguas arriba del puente es menor o mayor que el valor umbral necesario para desplazar el material del lecho.

Si la tensión cortante aguas arriba es menor que el valor umbral, el lecho aguas arriba del puente se encuentra en reposo. Esto se conoce como condición de agua clara, ya que el flujo de aproximación es transparente y no contiene sedimentos. Por lo tanto, cualquier material del lecho que se elimine de una socavación local no es reemplazado por sedimentos transportados por el flujo de aproximación. La profundidad máxima de socavación local se alcanza cuando el tamaño de la socavación produce una reducción local de la tensión cortante hasta el valor crítico, de modo que el flujo ya no puede eliminar material del lecho de la zona socavada.

La erosión por lecho móvil se produce cuando la tensión cortante aguas arriba supera el valor umbral y el material del lecho aguas arriba del cruce se encuentra en movimiento. Esto significa que el flujo de aproximación transporta continuamente sedimento hacia una fosa de erosión localizada. Por sí solo, un lecho móvil en un canal uniforme no provoca una fosa de erosión; para que esto ocurra, se requiere un aumento adicional de la tensión cortante, 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 alcanza cuando el material se transporta hacia la fosa 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 lechos vivos. Las condiciones que favorecen la erosión en aguas claras incluyen que el material del lecho sea demasiado grueso para ser transportado, la presencia de canales vegetados o reforzados artificialmente 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 erosión por aguas claras como por lechos turbulentos. Durante una crecida, la tensión cortante del lecho puede variar según el caudal. Es posible que al inicio de la crecida se presenten condiciones de aguas claras, que luego se transformen en un lecho turbulento antes de volver a aguas claras. Cabe destacar que la profundidad máxima de erosión puede ocurrir en condiciones iniciales de aguas claras, no necesariamente cuando el nivel máximo de la crecida está en marcha y la erosión del lecho turbulento ya está en marcha. De igual modo, se pueden experimentar velocidades relativamente altas cuando el flujo se limita a las riberas, en lugar de extenderse por las llanuras aluviales durante el caudal máximo.

La urbanización provoca un aumento en la magnitud de las inundaciones y un pico más temprano en los hidrogramas, lo que resulta en mayores velocidades de flujo y degradación. Las mejoras en los cauces o la extracción de grava (por encima o por debajo del sitio en cuestión) pueden alterar los niveles de agua, las velocidades de flujo, las pendientes del lecho y las características del transporte de sedimentos , afectando así la erosión. Por ejemplo, si un cauce aluvial se rectifica, se ensancha o se modifica de cualquier otra forma que incremente la energía del flujo, tenderá a regresar a un estado de menor energía, degradándose aguas arriba y ensanchándose y acumulando sedimentos aguas abajo.

La importancia de la erosión por degradación para el diseño de puentes radica en que el ingeniero debe decidir si la elevación del canal existente se mantendrá constante durante la vida útil del puente o si, por el contrario, variará. Si es probable que haya cambios, estos deben tenerse en cuenta al diseñar el cauce 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 se posicione o alinee incorrectamente con respecto al flujo de aproximación. Este problema puede ser significativo en cualquier circunstancia, pero resulta potencialmente muy grave en regiones áridas o semiáridas y con arroyos efímeros (intermitentes). Las tasas de migración lateral son en gran medida impredecibles. A veces, un cauce que ha permanecido estable durante muchos años puede comenzar a moverse repentinamente, pero entre los factores que influyen significativamente se encuentran las inundaciones, el material de las riberas, la vegetación de las riberas y las llanuras aluviales, y el uso del suelo.

La erosión en los emplazamientos de puentes se clasifica generalmente en erosión por contracción (o constricción) y erosión localizada. La erosión por contracción se produce en toda una sección transversal como resultado del aumento de la velocidad y las tensiones cortantes del lecho que surgen al estrecharse el canal por una construcción como un puente. En general, cuanto menor sea la relación de apertura, mayor será la velocidad del agua y mayor el potencial de erosión. Si el flujo se contrae desde una llanura aluvial amplia, puede producirse una erosión considerable y la rotura de las riberas. 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 ampliar la abertura.

La erosión local se produce por el aumento de la velocidad y los vórtices asociados a medida que el agua se acelera alrededor de las esquinas de los estribos, pilares y diques de contención.

El proceso de examen suele ser realizado por hidrólogos y técnicos hidrológicos , e incluye 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 de su flujo hacia y desde el puente. También se inspecciona la zona bajo el puente en busca de agujeros y otros indicios de erosión.

El examen de un puente comienza con una investigación en la oficina. Se debe registrar el historial del puente y cualquier problema previo relacionado con la erosión. Una vez que se identifica un puente como potencialmente vulnerable a la erosión, se procede a una evaluación más exhaustiva que incluye una revisión de campo, un análisis de vulnerabilidad y la priorización de las medidas. Los puentes también se clasifican en diferentes categorías y se priorizan según el riesgo de erosión. Una vez que un puente se considera crítico en cuanto a la erosión, el propietario debe elaborar un plan de acción para mitigar las deficiencias conocidas y potenciales. El plan puede incluir la instalación de contramedidas, el monitoreo, las inspecciones posteriores a las inundaciones y los procedimientos para el cierre del puente, si fuera necesario.

Como alternativa, también se están implementando tecnologías de detección para la evaluación de la erosión. El nivel de detección de la erosión se puede clasificar en tres niveles: inspección general del puente, recopilación de datos limitados y recopilación de datos detallados. ^{[ 5 ]} Existen tres tipos diferentes de sistemas de monitoreo de la erosión: fijos, portátiles y de posicionamiento geofísico. Cada sistema puede ayudar a detectar daños por erosión con el fin de evitar el colapso del puente, aumentando así la seguridad pública.

El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica N.° 23 (HEC-23) contiene directrices generales de diseño como medidas contra la erosión aplicables a pilares y estribos. La numeración en la siguiente tabla indica la sección de la directriz de diseño HEC-23: ^{[ 6 ]}

Los diques de curva, los espolones y los taludes guía pueden ayudar a alinear el flujo aguas arriba, mientras que la escollera , los gaviones , los bloques de hormigón articulados y los colchones rellenos de mortero pueden estabilizar mecánicamente las pendientes del pilar y el estribo. ^{[ 6 ]} La escollera sigue siendo la contramedida más común utilizada para prevenir la erosión en los estribos de los puentes. Varias adiciones físicas a los estribos de los puentes pueden ayudar a prevenir la erosión, como la instalación de gaviones y el revestimiento de piedra aguas arriba de la cimentación. La adición de tablestacas o bloques de hormigón prefabricados entrelazados también puede ofrecer protección. Estas contramedidas no cambian el flujo de erosión 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, optimizar los estribos y diseñar cimientos de pilares resistentes a la erosión sin depender del uso de escolleras u otras contramedidas.

Los canales trapezoidales que atraviesan un puente pueden reducir significativamente la profundidad de la erosión local en comparación con los estribos verticales, ya que proporcionan una transición más suave a través de la abertura del puente. Esto elimina las curvas abruptas que causan zonas turbulentas. Los espigones , las púas, los espigones y las aletas son estructuras de encauzamiento fluvial que modifican la hidráulica del arroyo para mitigar la erosión o los depósitos indeseables. Suelen utilizarse en cauces inestables para redirigir el flujo del agua hacia zonas más favorables a través del puente. La inserción de pilotes o zapatas más profundas también se utiliza para reforzar los puentes.

El Manual Circular de Ingeniería Hidráulica No. 18 (HEC-18) fue publicado por la FHWA e incluye varias técnicas para estimar la profundidad de la erosión. Las ecuaciones empíricas de erosión para la erosión en lecho vivo, la erosión en agua clara y la erosión local en pilares y estribos se muestran en el Capítulo 5 – Sección de Erosión General. La profundidad total de erosión se determina sumando tres componentes de erosión que incluyen la agradación y degradación a largo plazo del lecho del río, la erosión general en el puente y la erosión local en los pilares o estribos. ^{[ 8 ]} Sin embargo, la investigación ha demostrado que las ecuaciones estándar en HEC-18 sobreestiman la profundidad de erosión para una serie de condiciones hidráulicas y geológicas. La mayoría de las relaciones de HEC-18 se basan en estudios de canal de laboratorio realizados con sedimentos de tamaño 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 más fácilmente erosionables, pero los arroyos suelen contener materiales mucho más resistentes a la erosión, como till compacto , arcilla rígida y esquisto . 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 llevar a valores de diseño excesivamente conservadores para la erosión en condiciones hidrológicas de bajo riesgo o no críticas. Por lo tanto, se siguen realizando mejoras en las ecuaciones con el fin de minimizar la subestimación y la sobreestimación de la erosión. 

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• Estudio sobre la erosión de puentes
• Proyecto Nacional de Erosión de Puentes del USGS
• Publicaciones del USGS sobre la erosión de puentes
• Estudio del USGS sobre la erosión de puentes
• Base de datos nacional de erosión de puentes del USGS
• Fórmulas matemáticas para diversos tipos de erosión
• Ascelibrary - Desgaste de puentes Archivado el 27/03/2012 en Wayback Machine