HIDRAULICA FLUVIALUNIDAD DIDACTICA II: NOCIONES DE MECANICA DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. 2.1. CAUCES FLUVIALES Y NIVELES DE AGUA.2.1.1 CAUCE O ALVEO.- Área de terreno que contiene un cuerpo de agua, pudiendo ser este de régimen permanente o temporal. El Límite superior del cauce o álveo esta constituido por el Nivel Promedio de Máximas Avenidas o Crecientes Ordinarias. 2.1.1.1 CAUCE ESTABLE. DEFINICION.- Se define como cauce estable, a la condición en la cual una corriente de agua tiene pendiente y una sección transversal que permiten que el cauce transporte el agua y el sedimento entregado por la cuenca colectora, sin erosión o sedimentación; ni erosión significativa de los márgenes del cauce (orillas). EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL El cálculo de la sección estable es fundamental en la hidráulica de los cauces naturales superficiales por que ante una eventual alteración de la geometría de la sección natural, sea por ejecución de obras hidráulicas o actividades antrópicas (construcción de puentes – pilares; construcción de acueductos – pilares; encauzamientos – muros de piedra; explotación de canteras - hormigón, arena; etc.). Fig. 2.1.1.1.a. Construcción de Puentes-Pilares Fig. 2.1.1.1.b. Zona de extracción de agregados Es necesario determina una nueva sección geométrica capaz de conservar el equilibrio entre la corriente y los materiales que conforman el lecho del cauce. Desde el punto de vista teórico, los cauces estables se dividen en dos tipos: en aquellos cauces estables donde no existe transporte de sedimentos y en cauces estables donde en alguna época del año, se produce transporte de sedimentos. En 1° caso, se denomina cauces estables de estabilidad estática; es decir, que el cauce permanece con su sección original, aún cuando esta EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL condición es teórica por que todos los cauces naturales poseen capacidad de transporte de sedimentos. En 2° caso; cuando existe arrastre en el fondo y las orillas del cauce; denomina cauces estables de estabilidad dinámica por que el cauce sufre desplazamiento en planta, siendo mínima la erosión lateral. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL 1) Método de la Velocidad Máxima Permitida. es factible su utilización en ríos.Este método es aplicable en canales que tienen algo de arrastre. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL .1.2 CAUCE ESTABLE CON ARRASTRE. Cuando se trata de un cauce de sección ancha. 1. 2..1. a.1. 2) Método del Esfuerzo Tangencial. por su sencillez. en función al material de fondo. cuando es importante la estabilidad de los taludes de la sección. Figura. la estabilidad de sus orillas no es relevante. 1. Cauce de sección ancha.Es preferible utilizar este método. una velocidad que no arrastre a los granos de este material.1. Este método consiste en encontrar el esfuerzo tangencial producido por la corriente que no supere el valor crítico.1.1 CAUCE ESTABLE SIN ARRASTRE. Figura. 1) Método de Blench.1.1.a Cauce de sección ancha. Método completamente empírico.. manteniendo estable los granos del fondo del cauce..1. Este método consiste en calcular el cauce. la facilidad o dificultad con la que las orillas pueden ser erosionadas y el material de fondo.Este método considera el material de fondo como no cohesivo y toma en cuenta la zona donde se desarrolla el tramo del rio. 2) Método de Altunin. se calcula una sección necesaria para que el caudal circule con dicha velocidad.Este método es de aplicación preferente..2. A partir de esta velocidad. 2. importancia y potencial de daños materiales o personales que podría originar el desborde del cuerpo de agua.b.2..2.a.2. Figura.a b) Nivel Promedio de Máximas Avenidas o Crecientes Ordinarias (NAMO).1. Figura. 2.1. c) Nivel Aguas Máximas Extraordinarias (NAME).. en el que el cauce se encuentra permanentemente ocupado por el cuerpo de agua.1. Nivel de Aguas Mínimas y Daños ocasionados por Aguas Máximas Figura. la Avenida Máxima Extraordinaria. 2. Esta avenida se establece de acuerdo a la envergadura.2.Es el promedio de los niveles alcanzados por la superficie del cuerpo de agua.. Nivel de Aguas Maximas Extraordinarias EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL .Nivel que puede alcanzar un cuerpo de agua al transitar sobre él.1.Nivel bajo.2 NIVELES DE AGUA. a) Nivel Aguas Mínimas (NAMIN). 2..2.Descenso general y progresivo del perfil longitudinal del lecho de un cauce como resultado de la erosion a lo largo. Fórmula de Chézy. PRIMERA: Ecuación de Flujo Uniforme. La fórmula permite obtener la velocidad media en la sección de un canal y establece que: EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . e) Agradacion (SEDIMENTACION). 2. HIDRAULICA EN LOS CAUCES FLUVIALES. desarrollada por el ingeniero francés Antoine de Chézy. conocido internacionalmente por su contribución a la hidráulica de los canales abiertos.Crecimiento o elevacion general y progresiva del perfil longitudinal del lecho de un cauce como resultado de la deposicion de sedimento. Geralmente es debido a causas antropicas.. La fórmula de Chézy. Generalmente asociado a causa antropicas. Año 1769.d) Degradacion (EROSION). Fue presentada en 1769. 2. es la primera fórmula de fricción que se conoce.1. a). C es un factor de la resistencia al flujo.a) es paralela EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . = radio hidráulico = la pendiente longitudinal de la solera o fondo del canal en m/m (S es la pendiente de la línea de energía).a La ecuación de Chézy puede deducirse matemáticamente a partir de dos suposiciones. La primera suposición fue hecha por Chézy. sus pendientes son todas iguales Sf = Sw = So = S. La componente efectiva de la fuerza gravitacional (Figura 2. el cual se cree que fue establecido por primera vez por Brahms en 1754. es decir.1. donde K es una constante de proporcionalidad.2. es decir. La superficie de contacto del flujo con el lecho de la corriente es igual al producto del perímetro mojado y la longitud del tramo del canal o PL ( Figura 2.2.1. La segunda suposición es el principio básico de flujo uniforme. Una de las posibles formulaciones de este coeficiente se debe a Bazin. Entonces la fuerza total que resiste al flujo es igual a KV2PL.1. Figura 2. La línea de energía. Ésta establece que la fuerza que resiste el flujo por unidad de área del lecho de la corriente es proporcional al cuadrado de la velocidad. = coeficiente de Chézy.2. donde Sf es la pendiente de la línea de energía.donde: = velocidad media del agua. la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos. esta fuerza es igual a KV2. Ésta establece que en el flujo uniforme la componente efectiva de la fuerza gravitacional que causa el flujo debe ser igual a la fuerza total de resistencia. Sw es la pendiente del agua y So es la pendiente del fondo del canal. La ecuación de Manning se ha convertido en la más utilizada de todas las ecuaciones de flujo uniforme para cálculos en canales abiertos.2. es la pendiente de la línea de energía y n. A es el área mojada. donde w es el peso unitario del agua. específicamente conocido como n de Manning. Ecuación de Manning. V. es el radio hidráulico. Esta ecuación fue desarrollada a partir de siete ecuaciones diferentes. Entonces. ɵ es el ángulo de la pendiente y S es la pendiente del canal. basada en los datos experimentales de Bazin y además verificada mediante 170 observaciones. Ingeniero irlandés Robert Manning. es el coeficiente de rugosidad. Presentó una ecuación. R. es la velocidad media. como A/P=R.2. la cual modificó más adelante hasta llegar a su conocida forma actual es.al fondo del canal e igual a wALsenɵ = wALS. Debido a la simplicidad de su forma y los resultados satisfactorios que arroja en aplicaciones prácticas. y si el radical (w/K)1/2 se reemplaza por un factor C. V=1/n R2/3 S1/2 Donde. wALS=KV2PL. Año 1889. la ecuación anterior se reduce a la ecuación de Chézy o V=((w/R)(A/P)S)1/2 = C (RS)1/2 2. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . Ecuaciones de flujo uniforme para cálculos en canales abiertos. S. τoPdx = 0 siendo: P. Entonces. En un flujo uniforme la fuerza tractiva se equilibra con la componente efectiva de la fuerza gravitacional que actúa sobre el cuerpo de agua paralela al fondo del canal. El valor promedio de la fuerza tractiva por unidad de área mojada (fuerza tractiva unitaria) puede obtenerse de la siguiente forma (figura 2. es el radio hidráulico. siendo γ el peso específico del agua. El peso del fluido contenido en el volumen de control es γAdx. Se considera un volumen de control AEFD de longitud dx y sección transversal A en un canal de pendiente So. Esta fuerza. es perímetro mojado. es el peso especifico del agua. R. La componente del peso del fluido en la dirección x es equilibrada por la fuerza tractiva.2.3. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . esto es: γAsdx . τo. es la fuerza tractiva.2. se tiene: Donde. γ. τo = γRSo.2.a) Figura 2. se conoce como fuerza tractiva.a Fuerza actuante en un volumen de control.3 Fuerza Tractiva.3. Cuando el agua fluye en un canal se desarrolla una fuerza que actúa sobre el lecho de éste en la dirección del flujo. la cuál es simplemente el empuje del agua sobre el área mojada.2. mas la variación de la masa en su interior y con la variable tiempo tendiendo a cero. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . Emplearemos la ecuación de continuidad. denominado “Principio de la Conservación de la Masa”. 2. puesto que ésta no puede crearse ni desaparecer. considerando un volumen arbitrario.4 Ecuación de Continuidad. fijo en el espacio e inmerso en un medio continuo en movimiento que lo ocupa en cada punto y en todo instante (Fig. Formula: Q = V x A En efecto. 1) es evidente que. Principio de la Conservación de la Masa. es la pendiente del fondo del canal. aplicado al escurrimiento de fluidos. el balance entre la masa entrante y saliente a través de la superficie del mismo y en un instante dado.S. a través de un “Volumen de Control”.2. da inexorablemente una masa resultante nula. 2.2.2. La relación entre las diferentes variables se establece mediante una ecuación como la de MANNING o CHEZY. B) En cambio. Figura 2. 2.Las características generales del transporte sólido de los ríos.2. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . NOCIONES DE TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. 2.2.3. expresada en términos de la rugosidad.a) Canal de concreto Figura. A) Cuando el fondo de un canal es rígido (CANAL DE CONCRETO.2.2.b) Canal natural.3. rugosidad del contorno y tamaño de la sección transversal.. lo que no ocurre con un canal natural o lecho fluvial. Figura.3. en un fondo móvil (CANAL NATURAL. El lecho está sometido a procesos de erosión y sedimentación.2. Figura 2.1 INTRODUCCION. 2. Esto determina no sólo una configuración variable del fondo. se estudia teniendo en cuenta o en mente las estructuras hidráulicas que en ellos se construye. sino también un cambio en la resistencia al escurrimiento.3.3. 2.2 SECCION TRANSVERSAL O FONDO DE UN CANAL. El gasto es función de la pendiente.2.a).b).3.2.3.2. La sección transversal está definida. 3.2.3. a y Figura. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL ..2.2. pero ya como material granular.3. Figura. a) Materiales del lecho del río.3. Figura.2. Lecho cohesivo constituida por limos y arcillas.2.3.Las modificaciones del cauce de estos últimos son más lentos debido a la mayor resistencia a la erosión. 2. 2.3 ELEMENTO DE MEZCLA: AGUA – SEDIMENTOS. c. Tras una erosión del fondo.3.3.2.3. a. 2.2.3. un lecho cohesivo puede restablecer su cota original.. Lecho granular compuesto de arenas y gravas. b. Figura.Los materiales que componen los lechos de los ríos pueden ser granulares (gravas y arenas) o cohesivos (limos y arcillas). 2. b. b) Modificación del cauce. 2. Figura.3.3. 65 Debido a esta relación aproximadamente constante de los cauces naturales.2.c.65 o también la densidad relativa (respecto del agua) s/= 2. TRANSPORTE DE SEDIMENTO. En forma general puede definirse: Si las condiciones de escurrimiento en un canal o cauce natural superan la condición umbral de arrastre entonces el fluido es capaz de inducir EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . 2. los cauces naturales o lechos fluviales están formados por partículas de rocas y minerales cuya densidad “s” tiene poca variación. En general.Figura.3.1.2. 2.4. Rio de ancho indefinido con tendencia a Aumentar o Disminuir su ancho (B). la propiedad de más importancia pasa a ser el tamaño. Una de las propiedades de mayor relevancia de las partículas de un lecho granular es el peso.3. La densidad relativa sumergida “” es una relación de gran uso en la Mecánica del Transporte de Sedimentos y responde a la siguiente expresión: s . como representación del volumen de la partícula. Un valor medio adoptado es s = 2.3.65. a. A esta modalidad se le denomina transporte por "saltación". EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL .Define. a. Modos de transporte. constituyendo el arrastre o transporte de sólido de fondo. dos modos de transporte: transporte de fondo (material de cauce). sino que permanece en suspensión en la columna de agua principalmente debido a fuerzas de cohesión entre partículas. El transporte de fondo esta asociado a sedimento relativamente grueso (en el rango de arenas hacia arriba. transporte en suspensión y transporte en saltación. Este transporte se puede clasificar en.1) Transporte de fondo. En la Figura 5.el transporte generalizado del sedimento del lecho.Define. a las partículas de sedimento que permanecen en suspensión en la totalidad de la columna de agua. La velocidad de avance de una partícula sólida en suspensión es prácticamente igual a la de la corriente en ese punto. y prácticamente se halla distribuido en toda la sección transversal del cauce.. limos y arcillas)..3) Transporte en saltación. gravas y piedras). Este material muy fino no proviene del sedimento constituyente del lecho. las que se mantienen frecuentemente en contacto con el lecho.. a. Este material grueso proviene del sedimento constituyente del lecho del río. El material en suspensión está constituido por las partículas más finas.Define. rodando o deslizándose siempre en contacto con el fondo. a las partículas que se transportan de un modo peculiar: a saltos. teniendo un infrecuente contacto con el lecho.1. al menos.2) Transporte en suspensión. a las partículas de sedimento que son transportadas por el flujo. El transporte en suspensión se relaciona con sedimento fino (desde arenas finas hacia abajo. La velocidad de una partícula solida es en general inferior a la de la corriente. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . como se ve en la Figura 5. la concentración es prácticamente la misma en toda la sección transversal. En la práctica es usual que en los ríos de alta velocidad (en los que la turbulencia se encuentra plenamente desarrollada). siempre que las partículas sean muy pequeñas. VIDEO: TRANSPORTE DE SEDIMENTOS..2.Concentración de sedimentos. La curva de distribución vertical de concentraciones es logarítmica.Teóricamente la concentración es mínima en la superficie y máxima cerca del fondo. El transporte de fondo. tiene la mayor relevancia o repercusión sobre el río mismo ya que causa sus modificaciones y es por ello el interés en la hidráulica fluvial. etc. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . granulometría. En el primer caso. Granulometría. pendiente. Los lechos de los ríos pueden ser granulares o cohesivos. El transporte de fondo (material de cauce) esta relacionado a las características del cauce: ancho. caudal. el lecho esta constituido por partículas sueltas de distintos tamaños. Los ríos aluviales son aquellos que discurren sobre materiales transportados por el propio rio en el pasado geológico y por ello sus lechos suelen ser granulares. Como tamaño se entiende la dimensión del eje b de un elipsoide al que se puede asimilar una partícula Figura 1. como representación n del volumen de la partícula. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos esta todavía en sus principios. Normalmente. Gracias a ello. Una de las escalas más empleadas para esta separación es la clasificación del American Geophysical Unión (AGU) mostrada en la tabla 1.65. la propiedad más importante pasa a ser tamaño. Los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales cuyo peso específico tiene poca variación. Obsérvese que b es la dimensión decisiva para que una partícula pase o sea retenida por un tamiz.65 Ton/m3 o bien el peso especifico relativo es γs/γ = 2. mientras que los limos y arcillas según su diámetro de sedimentación. los materiales granulares se subdividen según el diámetro de tamizado. La propiedad individual de las partículas de un lecho granular que mas importancia tiene en la hidráulica fluvial es el PESO. El Valor medio es γs = 2. índice de compresibilidad y elasticidad volumétrico. viscosidad cinemática ν. viscosidad dinámica μ. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . etc.Tabla 1: Clasificación de materiales sedimentarios de la American Geophysical Unión Las propiedades de la fase agua son bastante conocidas entre ellas: densidad ρ. peso especifico γ. conocido como Diagrama de Shields. es el problema denominado Inicio.PRINCIPIO DEL MOVIMIENTO. Conocer en que condiciones ocurre este fenómeno. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . Umbral o Principio del Movimiento de Fondo. Un lecho granular sometido a la acción de una corriente de agua. los que paralelamente ha sido apoyados en teorías mecanicistas y análisis dimensional. se observara que en algún momento una partícula es desplazada por la fuerza de arrastre del agua. Iniciación. el cual permitirá establecer el comienzo y la finalización del flujo bifásico. El estado de arte sobre es tema proviene fundamentalmente de estudios experimentales en laboratorios y con arenas uniformes. pero existe un cierto consenso en torno al resultado obtenido por el investigador Albert Shields en 1936. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . QS. como el volumen por unidad de tiempo que cruza una sección transversal y definir el correspondiente caudal solido unitario. Al peso por unidad de tiempo se le sigue llamando “caudal” en peso. Por analogía con el flujo de agua.Caudal de sólidos. por unidad de anchura. qs. Para el transporte en suspensión es más simple trabajar con el peso del material solido en lugar de volumen. el primer paso en el análisis del transporte de sedimento es definir el caudal solido. Es preferible el peso EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . en particular. por causa de una intervención humana. La Pendiente (i). Figura. EQUILIBRIO DE FONDO. así definido como efecto. El Caudal solido de fondo (qs caudal solido unitario) 3. según sea en uno u otro sentido. El Tamaño de sedimento (D). que proviene lógicamente de un equilibrio de las acciones. 4. Este equilibrio. ANALOGIA DE LA BALANZA DE LANE Interesa destacar la idea siguiente: Los caudales líquido y sólido de fondo de un río pueden EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . Lane (1955) propuso tener en cuenta cuatro variables: 1. La balanza de Lane es una herramienta muy útil para analizar el desequilibrio de un rio. Decimos cuando un fondo o lecho se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos (en suspensión y por el fondo) cuando no sufre modificación en su cota de fondo.por que las medidas practicables en un río son las velocidades del agua y las concentraciones de material sólido en suspensión expresada en mg/l. El Caudal liquido (q caudal unitario) 2. Con un propósito solo cualitativo. Lane dispuso en la analogía de la balanza (Figura ) la sgte interpretación: El desplazamiento del fiel de la balanza por peso en exceso (caudales) o por un brazo en exceso (la pendiente y el tamaño) da lugar a erosión o sedimentación. que puede presentar una configuración no plana sino ondulada.estar equilibrados o no equilibrados. El mismo caudal sólido de partículas más gruesas y el mismo caudal de agua se equilibran con una mayor pendiente y viceversa. mientras que en ríos de gravas y en ríos con materiales gruesos de granulometría extendida parece que se presenta limitadamente o no se presenta. El fondo de un río con transporte de sedimento. respectivamente. Las formas de fondo ocurren con toda propiedad en lechos de arena. llamándose formas de fondo. si no están en equilibrio puede haber exceso de transporte de fondo (sobrealimentación) o un defecto de material solido (subalimentación) y se producirá sedimentación o erosión. ocurre cuando ha superado el inicio del movimiento el sedimento. El equilibrio depende también del tamaño del material. c) Antidunas. Esta igualdad es relativa a la pendiente de cauce. Al comenzar el movimiento en un lecho de arena e ir aumentando la velocidad. se presentan en este orden las siguientes formas: Formas de Fondo: a) Arrugas. Por ejm. Por ejm. b) Dunas. Esto restringe considerablemente la importancia práctica de dicha cuestión. FORMAS DE FONDO. por que pocos de los ríos son de arena. d)Rápidos y pozos EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . y se puede establecer la pendiente de equilibrio como aquella que compensa o equilibra el caudal líquido y sólido determinados. Muchos sólidos y poco agua se equilibran formando una gran pendiente. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . Ecuaciones aproximadas (ecuaciones empíricas o semiempiricas o basadas en teorías). tratan de cuantificar el caudal sólido de una corriente de agua en función de sus características hidráulicas. Las ecuaciones o fórmulas de transporte de fondo. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . características geométricas y granulométricas del cauce.ECUACIONES DE TRANSPORTE DE FONDO. EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL . EDGAR PACOMPIA FLORES HIDRAULICA FLUVIAL .