Conceptos básicos del fenómeno de socavación

CAPÍTULO 2
CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EL FENÓMENO HIDRÁULICO
2.1. Introducción: Definiciones sobre el fenómeno del flujo en un cuenco de socavación
La erosión local es un fenómeno complejo formado por varios subprocesos que se van sucediendo en el tiempo. Éstos han sido largamente estudiados, según Melville dividió el proceso en tres fases:
1. El flujo se acelera debido a la distorsión de laslíneas de corriente causada por el obstáculo.
2. Separación del flujo y desarrollo del vórtice de herradura al mismo tiempo que el foso se va erosionando.
3. Deslizamiento del material de las paredes del foso hacia el fondo cuando éste ya es suficientemente grande para contener el vórtice de herradura.
Además Melville llegó a la conclusión que el ángulo de la pared del foso es el ángulo de reposodel sedimento y por lo tanto se mantiene constante en todo el proceso.
En la parte frontal de la pila se genera un flujo descendente que provoca, por un lado, una sobre elevación de la lamina de agua en la cara de aguas arriba de la pila y por otro lado la formación de los vórtices de herradura que actúan en el lecho del cauce tanto en la parte frontal como lateral de la pila desplazando elmaterial.
A medida que la profundidad de erosión se incrementa la fuerza de los vórtices disminuye, con lo que el transporte de sedimentos decrece. En aguas claras la erosión cesa cuando la tensión cortante que provocan los vórtices de herradura se iguala a la tensión de corte crítica del sedimento en el foso de erosión.
Además de los vórtices de herradura, aguas abajo de la pila se forman losvórtices de estela, como consecuencia de la separación del flujo. Estos vórtices interactúan con los de herradura aumentando el poder erosivo del flujo.
La capacidad de aspiración de todos estos vórtices y un incremento local de la tensión cortante en el fondo es lo que provoca la formación del foso alrededor de la pila. Este foso consta de dos partes: un foso de mayor pendiente y muy poca profundidad,situado de forma adyacente a la pila, y otro de forma cónica con la pendiente igual al ángulo de Fricción en reposo del sedimento. El primero se ha formado por la acción directa de los vórtices de herradura, mientras que el segundo se va formando a medida que la erosión local va progresando.

Figura 6. Características del flujo alrededor de una pila

2.1.1.- Vórtices en herradura
Estosvórtices se pueden describir básicamente con tres parámetros: el diámetro, la velocidad y la fuerza o intensidad que tienen. Su forma es aproximadamente elíptica en el plano vertical de la línea de simetría del flujo, y su principal medida es un promedio entre el diámetro máximo y mínimo es decir:
D=a+b
donde a y b son los radios máximos y mínimos. La segunda característica importante es la velocidadque se puede calcular como:
Vo=π N D
donde N es la frecuencia de rotación del centro del vórtice. Y por último la fuerza del vórtice que se define como:
=π D Vo

2.1.2.- Vórtices de Estela
La vorticidad concentrada en el sistema de vórtices de estela está generada por la propia pila, contrariamente al caso de vórtices en herradura.
El sistema de vórtices de estela está formado por elenrulamiento de capa límite inestable, generado en la superficie de la pila, a partir de la línea de separación a cada lado de ella.
La intensidad de estos vórtices depende en grado sumo de la forma de la pila y la velocidad del fluido. Una pila de forma hidrodinámica provocará una estela débil, mientras que en otra más tosca producirá una fuerte.
El sistema de vórtices de estela actúa, debido a subaja presión, como una aspiradora, removiendo el material del lecho que es transportado aguas abajo por los remolinos desprendidos de la pila.

2.2.- Características hidrodinámicas del flujo en un curso natural alrededor de un obstáculo y al pie de una grada o escalón
Las discontinuidades locales, de muy pequeñas dimensiones respecto a la dimensión de la sección transversal, como piedras u...