3.1 Canal aluvial 3.2 Propiedades de los sedimentos y técnicas técnicas de medición. 3.3 Flujo en canales canales de arena Predicción de formas de fondo Efecto de las formas de fondo Coeficiente de Manning 3.4 Procesos aluviales aluviales en cauces de material grueso Coeficiente de Manning 3.5 Resist Resistencia encia al flujo en canales aluviales aluviales 3.6 Inicio del movimiento Esfuerzo de corte crítico y velocidad crítica de arrastre ING. MARISA SILVA DAVILA
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Los ríos están formados por materiales cohesivos cohesivos y no cohesivos que han sido y pueden ser transportados por la corriente. » Cohesivos: arcillas » No cohesivos: limos, arenas, gravas, guijarros, cantos rodados y bloques Cohesión es la fuerza conque las partículas de arcilla se atraen entre si.
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Tamaño de la partícula Forma Fo rma de la la partí partícul culaa Velocidad de caída Distribución de tamaños de sedimentos Peso especifico Porosidad Cohesión Angulo de reposo
Clasificación de tamaños según la American Geophysical Union (A.G.U.) (escala de Wentworth)
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Factor de forma de Corey: Sp, (Albertson 1953)
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Fuerza de arrastre
Ver página 105 de int. a la Hidráulica Fluvial del dr. Rocha:
Coeficiente de arrastre para esferas y sedimentos naturales con factores de forma 0.3, 0.5,0.7 y 0.9. También, diámetro de sedimento vs velocidad de caída y temperatura (Brown 1950, p. 781).
Fórmula de Stokes: Aplicable solo para: » Partículas esféricas » Re menor o igual a 1
Otra expresión para la velocidad de caída: El área y el volumen pueden ser escritos en términos del diámetro característico de la partícula Ds: Donde los coeficientes K 1 y K2 dependen de la forma de las partículas de sedimentos. Por ejemplo, K1 = π/4 y K2 = π/6 para partículas esféricas. Si la partícula cae a su velocidad terminal, FD = Ws:
Sustituyendo las ecuaciones 3.4 y 3.5 en la ecuación 3.6 se obtiene la expresión:
Cuatro números adimensionales describen la velocidad de caída a partir del análisis dimensional de la ecuación 3.7:
El coeficiente de arrastre C D es dependiente del número de Reynolds de la partícula , la forma y la textura superficial de la partícula, donde μ es la viscosidad dinámica del fluido.
Figura 3.2. Diámetro Nominal vs. velocidad de caída (Temperatura = 24°C) (Guy 1977,U.S. Interagency 1957b).
Tabla 3.2 Guía para diferentes métodos de medición de tamaños de materiales aluviales MÉTODOS
Rango de tamaños
Análisis de concentración
Cantidad de sedimentos o guijarros
mm
mg/l
g
Tamizado
0,062 - 32
-
100 – 500
Tubo de acumulación visual
0,062 - 2
-
0,05 – 15
Análisis de pipeta
0,002 -0,062
2 000 – 5 000
1 – 5
12 – 1 000
-
100 guijarros
Conteo de guijarros »
Separación de la arena de los finos Si la muestra de sedimentos a ser analizada (material del lecho o material en suspensión) tiene considerable material fino (Ds>0,062 mm) se debe separar previamente al análisis. Para separar la porción gruesa de la fina, el sedimento deberá ser tamizado húmedo usando agua destilada y una malla 250 (0,062 mm). El material que masa dicha malla deberá ser analizado con pipeta si además se requiere conocer la granulometría fina, o secado e incluido como %
Pag. 3.9 de River Engineering for Hyghway encroachments
Pag. 3.9 de River Engineering for Hyghway encroachments
Coeficiente de gradación:
Donde:
G = coeficiente de gradación Dx = diámetro de la partícula de sedimentos de la cual el % x es más fino
La rugosidad del grano usada en las ecuaciones de velocidad es tomada como el D80, D85 o D90.
diámetro efectivo de materiales bien graduados: En estudios de erosión a la salida de alcantarillas, Stevens (1968) fue capaz de consolidar un rango de datos de erosión empleando la expresión:
Donde:
Los términos D0, D10,…,D100 son los diámetros de las mallas del enrocado en los cuales se tiene el 0%, 10%,… y 100% de material que pasa (en peso). La ec. de Stevens es equivalente a utilizar el promedio de la suma de los pesos de las partículas individuales. También se usa el diámetro efectivo Dm en estudios de sedimentos. Se define con la siguiente expresión: Donde Pi es el porcentaje en peso de la fracción de sedimentos con media geométrica Dsi. La media geométrica es la raíz cuadrada del producto de los
=ɏw
Porosidad volumen de vacíos
(River Mechanics Pierre Julien
Porosidad de materiales granulares es el cociente del volumen de vacíos entre el volumen total de una muestra no disturbada.
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Figura 3.4. Ángulo de reposo de materiales no cohesivos (Simons 1955).
Configuración de lecho Regímenes de Flujo Bajo: Rizos, dunas con rizos superpuestos, dunas y dunas lavadas
Transición Regímenes de Flujo Alto: lecho plano, antidunas estacionarias y rompientes,
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Potencia de la corriente:
Figura 3.7. Cambios de velocidad para una arena con D50 = 0,19 mm (Simons and Richardson 1966).
Figura 3.9 Cambio de regimen de flujo bajo a alto basado en el tamaño del grano de arena y el número de Froude.
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El correspondiente aumento en la velocidad puede aumentar la erosión alrededor de los pilares del puente, estribos, espuelas diques o bancos, y también aumenta el tamaño necesario de la escollera. Cambio de elevación requerida del cruce del puente, la altura de terraplenes a través de la llanura y la altura de cualquier obra de canal de control. Otro efecto de la forma del cauce en los cruces de la carretera es que con dunas en el cauce hay un patrón fluctuante de socavación en el cauce y alrededor de los muelles, pilares, bancos y espolones de guía. La altura media de dunas es aproximadamente 1/2 a 1/3 de la profundidad media del flujo y la altura máxima de una duna puede aproximarse a la profundidad media del flujo. Un efecto muy importante de las formas de cauce y las barras es el cambio de dirección del flujo en los canales. En las barras de bajo flujo puede ser residual y provocar un flujo de alta velocidad a lo largo de un muelle o un pilar o de cualquiera de las otras estructuras en el lecho de un arroyo, causando erosión más profunda de lo previsto.
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Figura 3.13. Relacion entre la potencia de la corriente, el diametro medio de caida,
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Figura 3.14. Cambio del numero de Manning vs la descarga para el río Padma en Bangladesh.
Sedimento no cohesivo con 2mm
Excepto con immenrsion parcial, segun analisis de datos de muchos ríos y canales se ha encontrado (Anderson et al. 1968):
Segun Limerinos (1970) en la ec. 3,19, y Bray (1982) y Simons y Senturk (1992):
Y otros:
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Profundidad Pendiente Viscosidad aparente y densidad Tamaño del material del lecho Gradación de tamaños Velocidad de caída Factor de forma para el tramo y la sección transversal Fuerza de filtración Concentración de la descarga de material de fondo Concentración de sedimentos finos
Figura 3.10. Relación de la profundidad vs descarga para el río Elkhorn cerca a Waterloo, Nebraska (Beckman y Furness 1962).
Figura 3.11. Viscosidad cinemática aparente de dispersiones agua-bentonita (Simons and Richardson 1966).
Figura 3.12. Variación de la velocidad de caida de varias muestras de arena vs porcentajes de bentonita y temperatura (Simons and Richardson 1966).
Ver Introducción a la Hidráulica Fluvial. Dr. Arturo Rocha Felices
