Socavación local por chorros horizontales de agua, sobre un lecho de suelo cohesivo

Abstract

El presente trabajo de tesis es el resultado de un estudio teórico experimental del fenómeno de socavación por chorros de agua horizontal, descargando tangencialmente, sobre un suelo cohesivo, a fin de establecer relaciones funcionales entre los parámetros que caracterizan el flujo, el suelo y las dimensiones del cuenco socavado. El trabajo teórico consistió en el análisis del mecanismo de erosión de las partículas del suelo cohesivo. Los ensayos experimentales se llevaron a cabo en las instalaciones del Laboratorio Nacional de Hidráulica, entre enero y noviembre de 2002, usando un equipo diseñado y construido especialmente para la investigación. El equipo consiste de un tanque de forma cilíndrica donde el nivel de agua es controlado por el vertedero de rebose. El chorro de agua, alimentado del tanque, emerge horizontalmente sobre una cubeta de ensayos donde se coloca la muestra de suelo. Se realizaron ensayos estándar de mecánica de suelos para caracterizar el tipo de suelo, ensayos de pinhole para determinar la estructura del suelo y ensayos de corte directo para obtener una relación entre el contenido de humedad y el esfuerzo cortante interno. Las variables consideradas en el estudio fueron la velocidad del chorro en el rango de 1.90 m/s a 3.70 m/s, la profundidad de sumergencia a la salida del chorro de 0 a 10 cm. y el contenido de humedad de la muestra entre 20 % y 40%. Se realizaron 168 ensayos para calibrar la velocidad del chorro como función de la carga de agua; 49 ensayos para determinar la socavación, considerando un chorro libre, parcialmente sumergido y dos casos de chorro sumergido. Se realizaron mediciones de la geometría del cuenco socavado durante el proceso de erosión y en el estado de equilibrio del mismo, incluyendo la máxima profundidad, la posición de la máxima profundidad, la longitud y ancho del cuenco socavado. Como resultado del estudio se proponen relaciones adimensionales para estimar la geometría del cuenco socavado, en función de la relación entre el esfuerzo cortante interno del suelo y el esfuerzo cortante hidráulico, y la profundidad adimensional de sumergencia. Se obtuvieron valores críticos de la función de Shields, para la iniciación de movimiento, en el rango entre 0.06 a 0.53, correspondiente a Números de Reynolds Corte de 3.39 a 8.21, para un valor medio del ángulo de fricción interna de 26.1°.

The present work is the result of an experimental and theoretical study of the scour produced by circular wall jets, discharging over a cohesive soil, in order to establish relationships among parameters that characterize the flow, the soil and the dimensions of the scour hole. The theoretical work comprised the analysis of the mechanism of erosion of cohesive soil particles. The experimental tests were carried out in the facilities of the National Laboratory of Hydraulic, between January and November 2002, using equipment designed and built especially for the research. The equipment includes a cylindrical tank where the water level is controlled by overflow. The jet emerges horizontally on a rectangular basin where soil samples were placed. Standard tests of soil mechanics were carried out to classify the soil, pinhole test to determine the soil structure and direct shear tests to obtain a relationship between the water content and the internal shear stress. The velocity of the water jet at the nozzle varied between 1.90-3.70 m/s, submergence between 0 – 10 cm. and the water content between 20 % and 40 %. 168 tests were carried out to calibrate the velocity of the jet as function of water head, 49 tests to determine the scour considering a free jet, partially submerged jet and two cases of submerged jets. The scour hole geometry, including the maximum depth and location of the maximum scour depth, and the length and width of the scour hole were measurements. Dimensionless relations are proposed to estimate the geometry of the scour hole as function of the relation of the internal shear stress of the soil and the hydraulic shear stress, and dimensionless state of submergence. Values of the Shield’s number in the incipient motion were obtained, ranged between 0.06 to 0.53 corresponding to bed Reynolds number between 3.39 and 8.21, for a angle of repose 26.1°.