Tabla de contenido INTRODUCCION ................................................................................................................................... 2 MARCO TEORICO ................................................................................................................................. 3 Definición de canal erosionable. ..................................................................................................... 3 Canales erosionables con transporte de sedimentos en el lecho. .................................................. 3 Formas y movimientos del lecho. ................................................................................................... 3 Propiedades y características del sedimento. ................................................................................. 4 Inicio del movimiento de sedimentos, movimiento de carga de lecho. ......................................... 4 Tipos de movimientos de partículas de sedimento. ....................................................................... 6 Parametro de Shields. ..................................................................................................................... 6 Aplicabilidad de los conceptos de transporte de sedimentos al diseño de canales erosionables. 7 CONCLUSIONES ................................................................................................................................... 9 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 10
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INTRODUCCION La mayoría de las corrientes naturales se caracterizan por algún transporte de sedimentos, también los canales artificiales no revestidos con lechos en grava, arena o finos. Es por esta razón que es importante conocer la influencia del transporte de tales sedimentos sobre el canal, que debido a este fenómeno tendrá una rugosidad, una forma y dimensiones de lecho variables para las cuales por supuesto, nuestro diseño debe estar preparado de tal manera que se logre cierta estabilidad y que la sección que escojamos tenga capacidad para la tasa de transporte de sedimentos que en el habrá además del caudal de agua. Para tal fin se nos hace indispensable conocer las diferentes formas que puede adoptar el canal, y los criterios a tener en cuenta para el diseño de canales erosionables con transporte de sedimentos.
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MARCO TEORICO Definición de canal erosionable. Un canal erosionable es todo canal que no se encuentra revestido de algún material en todo su perímetro mojado. Este tipo de canales pueden diseñarse bajo dos condiciones: aquella en la que se toma como premisa que el canal se socavara mas no se sedimentara, y aquella en la que se acepta que haya transporte de sedimentos.
Canales erosionables con transporte de sedimentos en el lecho. Los canales en que se da transporte de sedimentos, conocidos como canales aluviales, el lecho cambia constantemente de forma y el movimiento de partículas de este puede generar erosión o acreción. La mayoría de corrientes naturales presentan transporte de sedimentos, y si el hombre desea intervenirlos debe predecir y controlar este de tal manera que pueda cumplir con las funciones requeridas.
Formas y movimientos del lecho. La pendiente del lecho, la profundidad y la velocidad de flujo, el tamaño del sedimento y la velocidad de asentamiento de las partículas influyen sobre la forma del lecho del canal. El parámetro principal para suponer que tipo de forma tomara el lecho es el número de Froude. Las diferentes formas que pueden tomar el lecho dependiendo de este son:
Lecho plano: Se puede presentar en dos casos; cuando no hay flujo o cuando el número de Froude es menor o igual que uno que es una transición entre la forma de lecho de dunas y de ondas estacionarias. En este caso no hay movimiento de la forma del lecho.
Rizos: Se presenta cuando el número de Froude es mucho menor que uno y la forma del lecho migra hacia aguas abajo. Se dan en la presencia de una capa limite laminar y su tamaño es independiente de la profundidad.
Dunas: Se presenta en flujo subcritico y la forma del lecho se mueve hacia aguas abajo. A diferencia de los rizos la capa limite es turbulenta y su tamaño es proporcional a la profundidad.
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Ondas estacionarias: Ocurren cuando el flujo es crítico o muy cercano a este. En estas no hay movimiento de la forma del lecho, es decir que el perfil de la superficie está en fase con la forma del canal.
Antidunas: Ocurren para flujos supercríticos. El perfil de la superficie está en fase con el fondo del canal y se presentan resaltos hidráulicos.
Rápidas: Se presentan para flujos supercríticos y el lecho migra aguas arriba. Soy antidunas muy activas.
Cuencos: Sucesión de escalones y piscinas. Se presentan en flujo supercrítico y migran en dirección aguas arriba.
Propiedades y características del sedimento. Los sedimentos pueden ser de dos tipos: material cohesivo o no cohesivo. El primer grupo lo constituyen básicamente arcillas y limos, y el último grupo de gravas, arenas y cantos rodados. La propiedad más importante de la partícula de sedimento es su tamaño. Esto se debe a la manera en que este influye en que haya o no transporte de sedimentos puesto que a mayor tamaño es más difícil desplazarlo. Como la mayoría de las partículas no son perfectamente esféricas para definir el tamaño de la partícula se usa: el diámetro del tamiz que es el tamaño de la partícula que pasa a través de un tamiz de tamaño dado pero que no pasa a través del siguiente; el diámetro de sedimentación que es el tamaño de una esfera de cuarzo que cae con una velocidad de asentamiento igual a la de la partícula de sedimento real y el diámetro nominal que es el de una esfera de la misma densidad y masa que la partícula real. Otra característica del sedimento a tener en cuenta es el ángulo de reposo, el cual es el ángulo crítico para el cual ocurre el movimiento y se denomina . Este es función de la forma de la partícula.
Inicio del movimiento de sedimentos, movimiento de carga de lecho. Para prevenir la erosión del lecho del canal es esencial conocer con exactitud el momento en el cual iniciara el movimiento de sedimentos. Ocurre que la mayoría de los canales en los que se da el transporte de sedimentos se comportan como flujos permanentes, acercándose a si a las condiciones de flujo uniforme. Es por esta razón que es útil la fórmula de la velocidad media en flujo uniforme hallada a partir de la ecuación de momentum:
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√
√
(1)
Donde f es el coeficiente de fricción de Darcy, R el radio hidráulico y ϴ la pendiente del lecho. Pero con tener la velocidad del flujo no debemos conformarnos. Además es necesario que conozcamos el perfil de la velocidad y siendo más específicos la velocidad en el fondo del canal. Esta velocidad se conoce como velocidad de corte y es función del esfuerzo cortante de frontera. El esfuerzo cortante de frontera, por su parte, es el esfuerzo promedio sobre el área mojada y se define como: (2) Donde Cd es el coeficiente de arrastre y V es la velocidad media del flujo. Este coeficiente de arrastre habitualmente se le da el valor de un cuarto del coeficiente de fricción de Darcy, siendo ahora el esfuerzo cortante de frontera, lo siguiente: (3) La velocidad de corte (Vc) es una medida del esfuerzo cortante y del gradiente de velocidad cerca de la frontera sólida, es decir, para el caso de canales cerca del fondo. Esta fue definida por Henderson como: √
(4)
Es importante resaltar que en base a esta velocidad definimos un nuevo número adimensional utilizado para la clasificación de flujos: El número de Reynolds de corte. A partir de este los flujos pueden ser turbulento liso, turbulento en transición o turbulento completamente rugoso.
Donde Ks es la rugosidad superficial promedio y v es la viscosidad cinemática del agua. En canales, los flujos turbulentos lisos tienen número de Reynolds de corte menores que 4, de transición entre 4 y 100, y turbulento completamente rugoso mayores que 100. La rugosidad superficial promedio puede hallarse a partir de la fórmula de Colebrook-White.
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Tipos de movimientos de partículas de sedimento. El material transportado recibe el nombre de carga de sedimentos. Este, puede moverse a través del canal de dos formas: como carga de lecho o como carga en suspensión. La carga de lecho son granos que ruedan a lo largo del lecho, cuyo movimiento inicia cuando el esfuerzo cortante del lecho excede un valor crítico. Un sedimento en suspensión se mueve rodeado de fluido. El movimiento en suspensión se da cuando las partículas que van a lo largo del lecho (carga de lecho) van chocando entre si y rebotan hasta que la nube de partículas entra en suspensión.
Parametro de Shields. Haciendo un análisis estático de la partícula de sedimento, nos podemos dar cuenta que en ella intervienen principalmente cuatro fuerzas: la gravedad, la fuerza de flotación (ambas verticales y en sentidos opuestos), la fuerza de arrastre que actua en dirección al movimiento y la fuerza de sustentación perpendicular a esta última. El movimiento de la partícula inicia cuando los momentos que generan la fuerza de arrastre, flotación y sustentación son mayores que el momento generado por el peso de la partícula. Shields, introdujo un parámetro de estabilidad ( experimentales, que se define como: (
a través de observación
(6)
Donde s es la densidad relativa de los sólidos y diámetro nominal de las partículas de sedimento. El movimiento de carga de lecho ocurre cuando el parámetro de estabilidad de Shields excede un valor crítico, definido de la siguiente manera dependiendo del número de Reynolds de corte:
( Flujo turbulento liso ( Flujo de transición ( Flujo turbulento completamente rugoso (
( (
Para estimar el parámetro de Shields critico debe recurrirse al diagrama de Shields o reemplazar en las formulas propuestas por Julien[ ], que están en función del ángulo de reposo del material y del diámetro y densidad relativa de este.
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Figura 1. Diagrama de Shields.
Aplicabilidad de los conceptos de transporte de sedimentos al diseño de canales erosionables. Para el diseño de canales aluviales, es decir, aquellos donde es inevitable el transporte de sedimentos, las variables más importantes son el caudal de agua, la tasa de transporte de sedimentos y el tamaño de estos. Para empezar, el ingeniero determina las características del canal, es decir, la pendiente del lecho, la forma de la sección transversal, el ancho del canal, las propiedades del lecho móvil (porosidad, densidad de sólidos, tamaño de partículas) y las formas que el lecho ha adquirido anteriormente. Posteriormente, se escoge el caudal de diseño y la tasa de transporte de sedimentos que se manejara en el canal. Para calcular la velocidad de flujo se supone un flujo uniforme y lecho plano haciendo uso de la ecuación (1) y para el esfuerzo de corte del fondo del canal la ecuación (2). Para medir el tipo de forma del lecho se usa el diagrama de Engelund y Hasen. Ya con estos datos es posible calcular el esfuerzo cortante por fricción superficial: (7) Y el esfuerzo cortante de forma de lecho:
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(8) Donde h y l son la altura y longitud del lecho. Se hacen cálculos iterativos hasta que la suma del esfuerzo cortante por fricción superficial más el esfuerzo cortante de forma de lecho sean iguales al esfuerzo cortante del fondo del canal de tal forma que se satisfaga la ecuación de momentum. Por último, se hace una revisión de la capacidad de transporte de sedimentos para ver si habrá erosión o acreción en el fondo del canal.
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CONCLUSIONES El movimiento de sedimentos a través del lecho genera un cambio de forma en este. La forma que este adopte dependerá del tipo de flujo que pase a través de él. Para flujos subcriticos se puede tomar forma de lecho plano, rizos y dunas. En la condición de flujo crítico se presentan ondas estacionarias que se encuentran en fase con el perfil de la superficie de flujo. Cuando el flujo es supercrítico pueden presentarse antidunas, rapidas y cuencos. Para el diseño de canales erosionables con transporte de sedimentos el parámetro de Shields es esencial puesto que nos define un valor critico en el que el canal deja de ser estable e inicia con la determinación de las características del canal y la selección de caudal de agua y tasa de transporte de sedimentos, y posteriormente se calcula la velocidad media y el esfuerzo cortante del fondo del canal. La idea es que el canal cumpla con la ecuación de momentum de tal forma que el esfuerzo cortante por fricción superficial y de forma de lecho sean iguales al esfuerzo cortante de fondo. También, el transporte de sedimentos no debe exceder la capacidad del canal. Teniendo estos conceptos claros es probable que nos encontremos capacitados para el diseño de canales erosionables ya sea sin sedimentación (haciendo que el valor del parámetro de estabilidad o parámetro de Shields no supere el valor crítico) o con transporte de sedimentos, que tengan un buen desempeño.
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BIBLIOGRAFIA
VEN TE CHOW, Hidráulica de canales abiertos. Primera edición. Editorial McGraw Hill. 1994.
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Fecha
de
visita:
DISEÑO DE CANALES EROSIONABLES (Monografía)
SANDRA DELGADO LINDEMAN MANUEL RICARDO LAMBIS ORTIZ LUISA FERNANDA MORENO CAICEDO ANDRES FELIPE PALENCIA BORBUA MARIA ALEJANDRA PEREZ AMADO
Ing. Dalia Moreno Egel, MSc (Docente)
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL CARTAGENA DE INDIAS D. T. Y C. JUNIO 05 DE 2012
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