UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS RELACIONES FUNCIONALES PARA EL CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN ALREDEDOR DE OBSTÁCULOS TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL AUTOR: DÍAZ YÁNEZ JUAN CARLOS TUTOR: DR. ING. MARCO CASTRO QUITO – ECUADOR Agradecimiento Gracias mi Dios por esta maravillosa vida que me has dado, por darme la familia que tengo, por cada enseñanza, alegría, tristeza, por todas las bendiciones, por los amigos, compañeros y te agradezco por haber nacido para ser un ingeniero civil de mi Ecuador querido. Gracias madrecita por tu infinito amor. Al resto de mi familia, Sonia, José y Juan Diego por su apoyo incondicional en todo momento. A mi padre que en cualquier sitio en que me encuentre, está conmigo. A mi querida Lorena, que con su apoyo y amor se ha convertido en una persona muy importante en mi vida. A mi gran amiga Paulina, que con su alegría, esfuerzo y perseverancia hemos podido llevar a cabo el trabajo de graduación. A mis grandes amigos, con quiénes hemos llevado toda una vida juntos, y que a pensar de tantos años aun seguimos unidos como cuando éramos unos niños. Agradezco de manera especial a la Universidad Central del Ecuador, y a mí querida Facultad que en sus aulas han formado una persona de bien para la sociedad. A mi tutor, Dr. Ing. Marco Castro, quien ha guiado correctamente el presente trabajo de titulación. Al tribunal, Ing. Salomón Jaya e Ing. Rodrigo Herrera por su colaboración en el desarrollo y finalización del trabajo mencionado. Gracias mi Ecuador del alma por tu incansable lucha y bondad, que ahora es mi turno de servirte, trabajando juntos por una mejor paria, libre y soberana. Juan Carlos Díaz Yánez ii Dedicatoria Al ser más sublime, al ángel que siempre ha guiado mi camino, a la mujer más fuerte que he conocido, que ha sembrado en mí, principios y valores inquebrantables y que me ha enseñado que no existe nada imposible en este mundo cuando las personas son de buen corazón. Te dedicó este trabajo de titulación Madre de mi alma…. Eliza Yánez. Dios, este esfuerzo también va dedicado para ti, ya que sin tu luz, nada sería tan maravilloso. A mi padre, José Ulpiano Díaz. Sé que en este momento está orgulloso de lo este logro. A mi hermana Sonia, a mi hermano José y su bebé que viene en camino, a mi sobrino Juan Diego. Mi querida familia, no lo hubiera logrado sin ustedes. A mi querida Lorena, que me ha enseñado el valor de la generosidad y que el amor supera cualquier barrera. A mis grandes amigos, que en las buenas y malas siempre hemos estado unidos. Y a mí querida Patria, que siendo pequeña lucha incansablemente por sus hijos, en busca de un mejor mañana. Juan Carlos Díaz Yánez iii AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL Yo, DÍAZ YÁNEZ JUAN CARLOS, en calidad de autor del trabajo de investigación o tesis realizada sobre ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS RELACIONES FUNCIONALES PARA EL CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN ALREDEDOR DE OBSTÁCULOS, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación. Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido con los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento. Quito, 29 de Noviembre de 2012 iv CERTIFICACIÓN En calidad del Tutor del proyecto de investigación: ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS RELACIONES FUNCIONALES PARA EL CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN ALREDEDOR DE OBSTÁCULOS, presentado y desarrollado por el señor: DÍAZ YÁNEZ JUAN CARLOS, previo a la obtención del Título de INGENIERO CIVIL, considero que el proyecto reúne los requisitos necesarios. En la ciudad de Quito, a los 29 días del mes de Noviembre del año 2012. v vi vii CONTENIDO AGRADECIMIENTO .............................................................................................. II DEDICATORIA ..................................................................................................... III AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECUAL ........................................... IV CERTIFICACIÓN ................................................................................................... V CONTENIDO ....................................................................................................... VIII ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................ XVI ÍNDICE DE TABLAS. ........................................................................................ XIX ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS .............................................................................. XXI RESUMEN ......................................................................................................... XXII ABSTRACT ...................................................................................................... XXIII OBJETIVOS ...................................................................................................... XXIV CAPÍTULO I ...................................................................................................... - 1 - 1. ANTECEDENTES ........................................................................................ - 1 - 1.1 FUNDAMENTOS DE LA FLUVIOMORFOLOGÍA. ................................... - 1 - 1.1.1 CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DE LOS CAUCES. .............. - 1 - 1.1.2 PATRONES DE CAUCES...................................................................... - 3 - 1.1.3 MORFOLOGÍA DE LOS RÍOS DE VERTIENTES. ............................... - 9 - 1.1.4 LLANURA DE INUNDACIÓN. ........................................................... - 10 - 1.1.5 ABANICOS FLUVIALES. ................................................................... - 10 - 1.2 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL SÓLIDO DE UN RÍO. .............. - 10 - 1.2.1 TAMAÑO Y FORMA. ......................................................................... - 12 - 1.2.2 COMPOSICIÓN MINERALÓGICA. ................................................... - 12 - 1.2.3 PESO ESPECÍFICO. ............................................................................ - 13 - 1.2.4 VELOCIDAD DE CAÍDA. ................................................................... - 14 - viii 1.3 MOVIMIENTO INCIPIENTE (UMBRAL O INICIALIZACIÓN DEL MOVIMIENTO). ................................................................................................ - 14 - 1.3.1 CRITERIO DE SHIELDS. .................................................................... - 15 - 1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA FÍSICO. .............................................. - 18 - 1.5 CONCLUSIONES. ...................................................................................... - 19 - CAPÍTULO II ................................................................................................... - 21 - 2. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE EROSIÓN Y SOCAVACIÓN LOCAL ALREDEDOR DE UN CUERPO SÓLIDO. ....................................................... - 21 - 2.1 RED DE FLUJO. ......................................................................................... - 21 - 2.1.1 FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO. ................................................ - 21 - 2.1.2 FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE. .................................. - 21 - 2.1.3 FLUJO UNIFORME Y NO UNIFORME. ............................................. - 22 - 2.1.4 FLUJO VARIADO GRADUALMENTE Y VARIADO RÁPIDAMENTE…… .................................................................................... - 22 - 2.2 DEFINICIONES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE EROSIÓN Y SOCAVACIÓN. ................................................................................................. - 22 - 2.2.1 EROSIÓN............................................................................................. - 22 - 2.2.2 TIPOS DE EROSIÓN. .......................................................................... - 23 - 2.2.2.1 EROSIÓN NORMAL........................................................................ - 23 - 2.2.2.2 EROSIÓN ACELERADA. ................................................................ - 23 - 2.2.2.3 EROSIÓN EN CÁRCAVAS. ............................................................ - 23 - 2.2.2.4 EROSIÓN LAMINAR. ..................................................................... - 23 - 2.2.2.5 EROSIÓN EN SURCOS. .................................................................. - 23 - 2.2.3 SOCAVACIÓN. ................................................................................... - 24 - 2.2.4 TIPOS DE SOCAVACIÓN. .................................................................. - 24 - 2.2.4.1 SOCAVACIÓN GENERAL. ............................................................. - 24 - 2.2.4.2 SOCAVACIÓN EN CONFLUENCIAS............................................. - 24 - ix 2.2.4.3 SOCAVACIÓN POR CONTRACCIÓN. ........................................... - 25 - 2.2.4.4 SOCAVACIÓN EN CURVAS. ......................................................... - 25 - 2.2.4.5 DEFINICIÓN DE SOCAVACIÓN LOCAL. ..................................... - 26 - 2.2.4.6 SOCAVACIÓN LOCAL AL PIE DE PILAS. .................................... - 26 - 2.2.4.7 SOCAVACIÓN LOCAL EN ESTRIBOS. ......................................... - 28 - 2.3 CARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS DEL FLUJO EN UN CURSO NATURAL ALREDEDOR DE UN OBSTÁCULO. ........................................... - 28 - 2.3.1 DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDAD. .................................................... - 28 - 2.3.2 RÉGIMEN DEL FLUJO. ...................................................................... - 29 - 2.4 ANÁLISIS BÁSICO DEL FENÓMENO SIMPLIFICADO. ........................ - 30 - 2.4.1 BASES DEL ANÁLISIS BÁSICO PARA EL CASO DE PILAS Y ESTRIBOS...................................................................................................... - 30 - 2.4.2 ANÁLISIS BÁSICO DE LOS PARÁMETROS ADIMENSIONALES.. - 31 - CAPÍTULO III ................................................................................................. - 33 - 3. ANÁLISIS SOBRE LOS MECANISMOS DE SOCAVACIÓN. ................. - 33 - 3.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS VARIABLES RELEVANTES PARA EL INGENIERO CIVIL. .......................................................................................... - 33 - 3.1.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL FENÓMENO DE SOCAVACIÓN…. .......................................................................................... - 33 - 3.1.2 VARIABLES GEOMÉTRICAS, SEDIMENTOLÓGICAS E HIDRÁULICAS. ............................................................................................. - 35 - 3.1.2.1 VARIABLES GEOMÉTRICAS. ....................................................... - 35 - 3.1.2.2 VARIABLES SEDIMENTOLÓGICAS. ........................................... - 36 - 3.1.2.3 VARIABLES HIDRÁULICAS. ........................................................ - 37 - 3.1.3 FACTORES ADICIONALES. .............................................................. - 37 - 3.2 ANÁLISIS BÁSICO DE LA SOCAVACIÓN GENERAL. ......................... - 38 - 3.2.1 CARACTERÍSTICAS PROPIAS DE LA SOCAVACIÓN GENERAL. - 39 - x