Estudio estadístico del inicio del movimiento en las protecciones contra la erosión en obras fluviales. Diseño de las instalaciones y experimentos con aplicación a pilas de puente y protección de orillas

Cualquier punto de encuentro entre las obras de ingeniería civil y los cauces fluviales requiere de un estudio detallado de la interacción entre ambos. La erosión local en pilas de puente y estribos, resulta ser el principal factor causante del fallo de la estructura, al menos el 90% de las veces, Richardson et al. (1993). No solo la erosión local afecta a la estructura ya que además se debe considerar una erosión transitoria inherente a las grandes avenidas, como es el caso de los ríos de España, que aunque se restablece una vez retomado el caudal ordinario, puede llegar a afectar a las estructuras de manera irreversible. Entre la gran variedad de elementos que se han venido utilizando a lo largo de la historia para la protección de pilas de puente, estribos, márgenes de río etc. destaca entre ellos la protección con escollera, siendo hoy en día uno de los más utilizados en todo el mundo debido a sus características de flexibilidad, larga duración facilidad de puesta en obra, reparación y apariencia natural. La metodología de dimensionamiento de escolleras actual presenta una serie de limitaciones, no consideran la graduación de la escollera, la colocación (vertida o conformada) así como los efectos turbulentos que se produce alrededor de estas. Algunos métodos utilizan la velocidad como parámetro de cálculo, y otros la tensión de fondo, ambos comparan estos valores con los valores críticos de inicio de movimiento determinados por el conocido diagrama de Shields. La mayor parte de los métodos basados en este concepto utilizan un valor constante del coeficiente de Shields, para casos de flujo turbulento rugoso, o leyes de velocidad de tipo logarítmico para relacionar velocidad con tensión tractiva. Dado que algunos investigadores han encontrado que el coeficiente de Shields varía con la rugosidad relativa y otros que las leyes logarítmicas de velocidad están también afectadas por ésta, resulta que muchos de los métodos de cálculo del tamaño de roca basados en conceptos de rugosidad relativa podrían no resultar aplicables.A menudo las protecciones de escollera son arrastradas por el flujo, dejando a su suerte a la estructura, en gran parte debido a las incertidumbres ya comentadas. Muchas veces esta escollera, y el sedimento en general, se mueve antes de que se alcance la tensión crítica en el fondo, debido a que existen fluctuaciones en la velocidad y tensión que no son contempladas por la formulación actual. En la presente tesina se propone una metodología probabilística del cálculo de la tensión crítica en el fondo, es decir, que probabilidad tienen las piedras de moverse para cada porcentaje de la tensión crítica alcanzado, en función de estas fluctuaciones turbulentas. Esto se realizará mediante el análisis de resultados de velocidad instantánea cerca del lecho realizados para una serie de escenarios en los que se definen diferentes parámetros tales como, tamaño de piedra, pendiente longitudinal, vertido o conformado de la escollera, cementado o no de la escollera, etc. Para el caso de escollera de protección de fondo y talud (revestimiento), protección de pilas y de traviesas. Por lo tanto se buscará una formulación que contemple los fenómenos inherentes a cada escenario.Se introduce además el concepto de escollera parcialmente cementada, muy útil en los casos en los que debido al emplazamiento de la obra no es posible obtener tamaños de escollera adecuados, pudiendo conglomerar escolleras más pequeñas para conseguir tamaños mayores, reduciendo así el coste económico y ambiental que supone el uso de grandes diámetros. Esta metodología no está actualmente implantada en España, no hay relaciones de por sí para seleccionar el tamaño de la roca, que no sean las consideraciones prácticas de tamaño de hueco, la gradación y el área de contacto adecuada de piedra a piedra para asegurar la unión entre estas. Se pretende la creación de una guía para el diseño, construcción y mantenimiento de protecciones de escollera, abarcando desde escollera vertida y conformada o parcialmente cementada, donde se regule el dimensionamiento, constructibilidad, materiales a utilizar, metodologías de construcción, utilización de filtros, inspección y mantenimiento. La presente tesina resume gran parte del trabajo llevado a cabo para esta investigación, se recomienda la lectura del Prólogo para una comprensión más precisa del alcance real de la tesina