Hidraulica Fluvial Final

Introducción a la Hidráulica fluvial

Por: César Augusto Gómez Urazán

Presentado a: Ing. Luis Javier Carrillo

Universidad de La Salle Bogotá D.C. Noviembre 2014

1


1.

CAPITULO 1. GENERALIDADES ......................................................................................................... 6 1.1.

Introducción ....................................................................................................................................... 6

1.2.

Definiciones ....................................................................................................................................... 7

1.3.

Etapas de los ríos ........................................................................................................................... 26

1.3.1. 1.3.1 .

Etapa torrencial. torrenc ial. ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 26

1.3.2. 1.3.2 .

Etapa moderada. moderad a. .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 27

1.3.3. 1.3.3 .

Etapa terminal. termina l. .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 28

1.4.

2.

Sistema fluvial ................................................................................................................................. 28

1.4.1. 1.4.1 .

Zona fluvial .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ........................ ...... 29

1.4.2. 1.4.2 .

Sistema hídrico .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 29

1.4.3. 1.4.3 .

Zona inundable .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 30

1.5.

Ríos en equilibrio y en régimen .................................................................................................... 31

1.6.

Caudal dominante .......................................................................................................................... 31

CAPITULO 2. PLANEACIÓN Y DISEÑO ........................................................................................... 33 2.1.

Información secundaria ................................................................................................................. 33

2.2.

Descripción general del Rio .......................................................................................................... 33

2.3.

Topografía de la cuenca: ............................................................................................................... 33

2.4.

Geología ........................................................................................................................................... 33

2.5.

Hidrología ............................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

2.5.1. 2.6. 3.

Batimetría ..................................................................................................................................... 34 Información Meteorológica de la Cuenca ................................................................................... 34

CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS ........................................................................ 35 3.1.

Parámetros hidráulicos y geométricos ........................................................................................ 35

3.2.

Longitud de Control ........................................................................................................................ 35

3.3.

Caudal a banca llena ..................................................................................................................... 36

3.4.

Flujo en Canales Abiertos y su Clasificación ............................................................................. 36

3.4.1. 3.4.1 .

Tipos de flujos: flujo s: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 37

3.4.2.

Flujo permanente y no permanente: .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .............. .....37

3.4.3.

Flujo uniforme y flujo variado .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. ................ .......37

3.4.4. 3.4.4 .

Flujo laminar. lamin ar. ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... ... 39

3.4.5.

Flujo turbulento. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. .................. ...........39

3.4.6. 3.4.6 .

Efecto de la gravedad. graveda d. ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ................................... ....................... ...... 39

2


1.

CAPITULO 1. GENERALIDADES ......................................................................................................... 6 1.1.

Introducción ....................................................................................................................................... 6

1.2.

Definiciones ....................................................................................................................................... 7

1.3.

Etapas de los ríos ........................................................................................................................... 26

1.3.1. 1.3.1 .

Etapa torrencial. torrenc ial. ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 26

1.3.2. 1.3.2 .

Etapa moderada. moderad a. .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 27

1.3.3. 1.3.3 .

Etapa terminal. termina l. .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 28

1.4.

2.

Sistema fluvial ................................................................................................................................. 28

1.4.1. 1.4.1 .

Zona fluvial .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ........................ ...... 29

1.4.2. 1.4.2 .

Sistema hídrico .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 29

1.4.3. 1.4.3 .

Zona inundable .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 30

1.5.

Ríos en equilibrio y en régimen .................................................................................................... 31

1.6.

Caudal dominante .......................................................................................................................... 31

CAPITULO 2. PLANEACIÓN Y DISEÑO ........................................................................................... 33 2.1.

Información secundaria ................................................................................................................. 33

2.2.

Descripción general del Rio .......................................................................................................... 33

2.3.

Topografía de la cuenca: ............................................................................................................... 33

2.4.

Geología ........................................................................................................................................... 33

2.5.

Hidrología ............................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

2.5.1. 2.6. 3.

Batimetría ..................................................................................................................................... 34 Información Meteorológica de la Cuenca ................................................................................... 34

CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS ........................................................................ 35 3.1.

Parámetros hidráulicos y geométricos ........................................................................................ 35

3.2.

Longitud de Control ........................................................................................................................ 35

3.3.

Caudal a banca llena ..................................................................................................................... 36

3.4.

Flujo en Canales Abiertos y su Clasificación ............................................................................. 36

3.4.1. 3.4.1 .

Tipos de flujos: flujo s: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .................. 37

3.4.2.

Flujo permanente y no permanente: .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .............. .....37

3.4.3.

Flujo uniforme y flujo variado .................. ........................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. ................ .......37

3.4.4. 3.4.4 .

Flujo laminar. lamin ar. ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... ... 39

3.4.5.

Flujo turbulento. .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .................. .................. .................. .................. ...........39

3.4.6. 3.4.6 .

Efecto de la gravedad. graveda d. ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ................................... ....................... ...... 39

2


3.4.7. 3.4.7 .

Regímenes Regí menes de flujo ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 40

3.4.8.

Efecto de la pendiente en la distribución distribución de presiones. ........... .................... .................. .................. .................. .................. ...........41

3.5.

3.5.1.

Energía del flujo en canales abiertos .................. ........................... .................. .................. .................. .................. ................... ................... .............. .....41

3.5.2.

Energía especifica ................. ........................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. .................. ................... ................... ................. ........43

3.6.

4.

Principios de energía ..................................................................................................................... 41

Rugosidad de superficie. .............................................................................................................. 44

3.6.1.

Material y transporte transport e de fondo. ................. .......................... ................... ................... .................. .................. .................. .................. .................. ............. ....44

3.6.2.

Estimación de “n” por el método de la tabla....................... tabla................................ .................. .................. .................. .................. ................ .......44

CAPÍTULO 4. CARACTERISTICAS GEOMORFOLOGÍAS Y MORFOLOGÍCAS ....................... 49 4.1.

Sección transversal ........................................................................................................................ 49

4.2.

Perfil longitudinal ............................................................................................................................ 50

4.3.

Clasificación de los ríos ................................................................................................................. 50

4.3.1. 4.3.1 .

Según la Edad ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... ... 51

4.3.2. 4.3.2 .

Según la pendiente .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 52

4.3.3. 4.3.3 .

Según el tipo de fondo .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ................................... ....................... ...... 52

4.3.4. 4.3.4 .

Según la forma en planta ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ................................... .................... ... 53

4.4.

Sinuosidad ....................................................................................................................................... 55

4.5.

Tipos de cauce ................................................................................................................................ 58

4.5.1. 4.5.1 .

Cauces de lecho duro. ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ................................... ....................... ...... 58

4.5.2. 4.5.2 .

Cauces de lecho erodable. .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ................................... ................. 58

4.5.3. 4.5.3 .

Cauces aluviales................... aluviales .................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................ ............... 58

4.6.

Formas de fondo ............................................................................................................................. 59

4.7. Acorazamiento Acorazamiento ................................................................................................................................ 63 5.

6.

CAPITULO 5. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ............................................................................ 65 5.1.

Umbral del movimiento: ábaco de shields .................................................................................. 67

5.2.

Limitaciones Limita ciones del ábaco de shields .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ................................ .............. 69

5.3.

Tipos de transporte de sedimentos ............................................................................................. 70

CAPÍTULO 6. SOCAVACIÓN ............................................................................................................... 73 6.1.

Características del movimiento de las partículas de sedimentos ........................................... 74

6.2.

Tipos de socavación. ..................................................................................................................... 76

6.2.1. 6.2.1 .

Socavación Socavació n General ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 76

6.2.2. 6.2.2 .

Socavación Socavació n general genera l en cauces definidos ................................. ................ ................................... ................................... ................................ ............... 78

6.2.3. 6.2.3 .

Socavación Socavació n general genera l en cauces no definidos. definido s. ................................. ............... .................................... ................................... .......................... ......... 83

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7.

6.2.4.

Socavación transversal .............................................................................................................. 84

6.2.5.

Socavación en una curva. .......................................................................................................... 85

6.2.6.

Socavación local. ....................................................................................................................... 86

6.2.7.

Socavación al pie de pilas de puentes. ...................................................................................... 86

6.2.8.

Socavación al pie de estribos y espolones. ............................................................................. 117

BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................................... 125

Ilustración 1 Diagrama de Shields.................................................................................................... 8 Ilustración 2 a) Acorazamiento observado, b) Acorazamiento estático y c) Acorazamiento dinámico. ......................................................................................................................................... 9 Ilustración 3 Analogía de la balanza de Lane................................................................................. 10 Ilustración 4 Distribución discreta o continua de tamaños .............................................................. 13 Ilustración 6 Definición de los conceptos de extradós e intradós en las orillas de un río ................ 16 Ilustración 7 Etapas de los ríos ...................................................................................................... 26 Ilustración 8 El espacio fluvial ........................................................................................................ 28 Ilustración 9 Zona fluvial ................................................................................................................ 29 Ilustración 10 Sistema hídrico ........................................................................................................ 30 Ilustración 11 Zona inundable ........................................................................................................ 30 Ilustración 12 Efecto del caudal dominante en la formación de un cauce estable de un río con llanura de inundación. ............................................................................................................. 32 Ilustración 13 Diferentes tipos de flujos en canales abiertos ......................................................... 39 Ilustración 14 Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos ................................ 42 Ilustración 15 Curva de energía específica ................................................................................... 44 Ilustración 16 Sección transversal de un cauce indicando los distintos niveles de agua característicos................................................................................................................................ 50 Ilustración 17 . Perfil longitudinal del río Bernesga......................................................................... 52 Ilustración 18 cauce trenzado ........................................................................................................ 53 Ilustración 19 Patrones morfológicos típicos de los ríos ................................................................. 54 Ilustración 20 Río Maipo a la salida de la zona del Cajón del Maipo. Tramo entre Las Vizcachas y la ................................................................................................................................ 55 Ilustración 21 Relación entre la sinuosidad y la pendiente del cauce ............................................. 56 Ilustración 22 Cauce meandriforme (a) Definición de thalweg y sección longitudinal y .................. 57 Ilustración 23 Cauce meandriforme (a) evolución de un meandro y ............................................... 58 Ilustración 24 Migración de los meandros hacia aguas abajo ........................................................ 59 Ilustración 25 Ondas sedimentarias del tipo micro y mesoformas ................................................. 60 Ilustración 26 Barras alternadas y multiples. .................................................................................. 61 Ilustración 27 Barra de lechos de grava. ........................................................................................ 63 Ilustración 28 Ejes principales de una partícula ideal. .................................................................... 65 Ilustración 29 Ejemplo de curva granulométrica para un río de llanura y uno de montaña. ............ 66 Ilustración 30 Diagrama de Shields para el inicio del movimiento .................................................. 69 Ilustración 31 Acorazamiento del lecho.......................................................................................... 70

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Ilustración 32 Tipos de transporte de sedimento en un cauce fluvial. En la figura se representa el transporte de fondo (qsb) y transporte en suspensión (qss) que es la suma del transporte del transporte en suspesión de las partículas del fondo (qssc) y las provenientes de la cuenca hidrográfica o wash load (qsw) ............................................................ 71 Ilustración 33 Tipos de socavación que pueden suceder en un puente ......................................... 74 Ilustración 34 Socavación general en cauces definidos ................................................................. 80 Ilustración 35 40Esquema del vórtice de herradura ....................................................................... 87 Ilustración 36 Esquema del vórtice de estela ................................................................................. 88 Ilustración 37 . Formas usuales de pilares. Método de Larras ....................................................... 90 Ilustración 38 Tipo de pilas, según la geometría metodología de Yaroslavtziev ............................. 97 Ilustración 39 . Tipo de pilas, según la geometría metodología y Angulo de ataque ...................... 98 Ilustración 40 Tipo de pilas, según la geometría metodología y Angulo de ataque ........................ 98 Ilustración 41 Curva básica de diseño para el cálculo de la profundidad de socavación .............. 100 Ilustración 42 Coeficiente de correlación para los pilares no alineados con el flujo ...................... 101 Ilustración 43 Grafica para pila circular. ....................................................................................... 102 Ilustración 44 . Grafica para pila rectangular. ............................................................................... 102 Ilustración 45 . Grafica para pila rectangular. ............................................................................... 103 Ilustración 46 Esquema para el factor de corrección por columnas múltiples ............................... 105 Ilustración 47 Esquema para el factor de corrección por residuos flotantes método del HEC-18 ........................................................................................................................................ 106 Ilustración 48 Determinación del factor . ..................................................................................... 107 Ilustración 49 Determinación del factor Df.................................................................................... 108 Ilustración 50 Descripción de las variables de velocidad y profundidad cuando el bloque de cimentación está expuesto al flujo .......................................................................................... 109 Ilustración 51 Ancho de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación para el caso en el que el grupo de pilotes de cimentación está alineado con el flujo ....................................... 109 Ilustración 52 Ancho efectivo de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación para el caso en el que el grupo de pilotes de cimentación no está alineado con el flujo .............. 110 Ilustración 53 Factor de espaciamiento k .................................................................................... 110 Ilustración 54 Factor de ajuste por el número de filas alineadas con el flujo k............................. 111 Ilustración 55 Factor basado en la altura del grupo de pilotes que sobre sale del lecho k ............ 111 Ilustración 56 Formas de pila ....................................................................................................... 115 Ilustración 57 Factor de alineamiento en pilas (Laursen 1956) .................................................... 118 Ilustración 58 Factor de alineamiento en pilas (Laursen 1956) .................................................... 119 Tabla 1 Valores del coeficiente de rugosidad “n” (Chow 1959) .................................................... 45 Tabla 2 Clasificación de materiales sedimentarios de la American Geophysical Union .................. 66 Tabla 3 Criterio de Raudkivi para separación de modos de transporte de Sedimentos .................. 72 Tabla 4 Clasificación para la socavación general........................................................................... 78 Tabla 5 Coeficiente de contracción µ en pilas de puentes ............................................................. 81 Tabla 6 Valores de Vne para suelos cohesivos, m/s: H = 1 m ....................................................... 84 Tabla 7 Valores de Vne para suelos no cohesivos, m/s: H = 1 m .................................................. 84 Tabla 8 Coeficientes de εi para el cálculo de la socavación en curvas .......................................... 86 Tabla 9 Factor de corrección Kxpor forma del pilar ........................................................................ 91

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Tabla 10 Factor de corrección por la forma de la nariz de la Pila (Ks) ........................................... 95 Tabla 11 Diámetros equivalentes d85 para suelos cohesivos. Método de Yaroslavtziev ............... 96 Tabla 12 Coeficiente de corrección de forma de la pila Ks ........................................................... 100 Tabla 13 Factor de Corrección para la forma de la nariz de la pila............................................... 115 Tabla 14 Factor de Corrección para el ángulo de ataque............................................................. 115 Tabla 15Factor de corrección según las condiciones del lecho K 3 . ............................................. 116 Tabla 16Factor de corrección por la forma de los estribos. .......................................................... 118 Tabla 17. Factor de corrección por la forma de los estribos. ........................................................ 118

CAPITULO 1. GENERALIDADES 1.1. Introducción La hidráulica fluvial estudia la intervención del hombre sobre los ríos, ya sea para la adecuación al sistema de aprovechamientos del recurso hídrico, la disminución de riesgos de daños por inundación o bien por la intersección del río con una obra de infraestructura (carretera, ferrocarril, conducciones, etc.) Si bien los ríos y los canales artificiales conducen agua mediante régimen en lámina libre, existen importantes diferencias entre ambos. Así, es imprescindible destacar que los canales son obras de ingeniería como cualquier otra infraestructura. Un canal responde a un proyecto, con su respectivo caudal de diseño, régimen de explotación, trazado, revestimiento, sección tipo, etc. Además, es posible que el proyecto de un canal contemple obras para evitar la entrada de sedimentos (trampas de arena, decantadores, etc.). Por lo contrario, en el caso de los ríos no existen determinaciones previas. El caudal es siempre variable, según el régimen hidrológico de la cuenca, y puede ser a una escala de tiempo estacional o bien restringido a un evento meteorológico. En general, la forma del cauce de un río responde a ciertos caudales de elevadas recurrencias (pero no extraordinarias). Este caudal se conoce como caudal formador y se tratará posteriormente. Además, existen las crecidas extraordinaria las cuales pueden transformar la naturaleza o el curso del río (corte de meandros) otorgándole al mismo un comportamiento dinámico que responde a ciertos grados de libertad. Otra gran diferencia es que el río, al ser parte del medio ambiente, se relaciona con el mismo y conforma a su alrededor un ecosistema húmedo, apropiado para la vida vegetal y animal. Un río mantiene un flujo bifásico de agua y sedimento (procedente del cauce o de la cuenca), en el cual si no existen cambios espaciales o temporales, simplemente el

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río aporta una cierta cantidad de ambas fases. La hidráulica fluvial intenta ser una herramienta para el ingeniero en la cuantificación de los cambios en la fase sedimento, que le permitan dar solución a problemas tales como la acumulación de sedimentos y pérdida de capacidad en embalses, explotación de áridos admisibles, o variaciones en la cota de fondo. Estas últimas suelen ser las más graves para obras cimentadas en el río o cerca del mismo (puentes, acueductos, etc.) y también para obras subfluviales (túneles).

1.2. Definiciones En este apartado del presente capítulo, se presentarán algunas nociones y generalidades básicas y se propondrán algunas definiciones de palabras adoptadas en el tema de la hidráulica fluvial (léxico), esto con el fin de facilitar su adecuada comprensión y utilización. Ábaco de Moody: (Diagrama Universal de Moody). Diagrama que relaciona el coeficiente de fricción (f) con el Número de Reynolds (Re) y la rugosidad relativa de las paredes de un conducto (e). Ábaco o diagrama de Shields: En el ábaco de Shields se propone una curva de principio del movimiento de las partículas en unos ejes en las ordenadas,

Dónde: τ o = tensión cortante de fondo. ( γ s - γ )= peso

específico sumergido.

D= tamaño que caracteriza el volumen.

En las abscisas Re*; definido Re* como el número de Reynolds del grano:

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Dónde: V* = Velocidad de corte del grano; n = es la viscosidad cinemática del fluido.

Ilustración 1 Diagrama de Shields. Fuente: Rodríguez Héctor, Hidráulica fluvial

Abanico aluvial: Depósito aluvial (aluvial: depósitos provenientes de los ríos) en forma de cono formado por la desviación o divagación de los ríos. Se desarrolla en aquella zona donde ocurre un cambio brusco en la pendiente longitudinal del río. Acarreo: La palabra acarreo se utiliza para referirse a partículas de sedimentos grandes, es decir, partículas mayores a 25.6 cm. En un sentido parecido se usan las palabras arrastres y aluviones o bien materiales de aluvión. Acorazamiento: Cuando el lecho del río está constituido por una mezcla de diferentes tamaños, cada tamaño tiene una tensión crítica diferente, de manera que la corriente, teóricamente, puede desplazar los finos con más facilidad que los gruesos. Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículas más finas que produzca con el tiempo, a partir de un material originalmente bien mezclado, una frecuencia mayor de gruesos en la superficie. Esta descripción corresponde a la realidad de los lechos de los ríos, ya que son frecuentemente de grano más grueso las capas superficiales que las capas profundas. A este estado se le llama acorazamiento del lecho. Existen tres tipos de acorazamiento: acorazamiento observado, estático y dinámico. (Figura No. 2)

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Ilustración 2 a) Acorazamiento observado, b) Acorazamiento estático y c) Acorazamiento dinámico. Fuente: Rodríguez Héctor, Hidráulica fluvial

Albardón: Depósitos aluviales altos que bordean los cauces en las llanuras de inundación. También suele llamárseles diques aluviales. Este fenómeno es producto de los permanentes desbordamientos de los ríos que van generando depósitos de sedimentos. Alud: Flujo semiviscoso de escombros a veces de comportamiento torrencial. Aluvión: La palabra aluvión significa también avenida súbita o fuerte de agua. También se define como el sedimento que es arrastrado por las lluvias o las corrientes de agua. Antidunas: Formas de fondo en un lecho granular de régimen supercrítico o rápido. Arcillas: Partículas de sedimentos con tamaños menores a 0.004 mm. Arenas: Partículas de sedimentos con tamaños entre a 0.062 mm y 2.0 mm. Avenidas o crecientes: En general, una creciente es un fenómeno de ocurrencia de caudales relativamente grandes, comparado con el caudal medio de un cauce. Una inundación se caracteriza por la ocurrencia de caudales grandes que se salen del canal de la corriente. Una creciente o avenida puede no causar inundación, especialmente si se construyen obras para tal fin. El periodo de retorno de una creciente es el tiempo promedio en años en que el valor del caudal pico de una creciente determinada es igualado o superado por lo menos una vez. Son dos las causas principales de las crecientes: el exceso de lluvia y el desbordamiento de cualquier volumen de agua acumulado aguas arriba. Esta última causa puede ser debida al rompimiento de la obra que retiene el agua o a la apertura brusca de las compuertas de un embalse. Avulsión: Cambio repentino del cauce de un río, asociado en general con crecientes o con modificaciones artificiales en el mismo. Estos cambios abruptos del cauce de los ríos se producen sin migración lateral. (Migración lateral: desplazamiento del cauce hacia los lados de la orilla) Balanza de Lane: Analogía que permite explicar el concepto de equilibrio de fondo de un río. (Se dice que un fondo se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos, en suspensión y por el fondo, cuando no sufre modificación en su cota). Con

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el propósito de explicar este fenómeno físico, Lane (1955) propuso la analogía de la balanza, en la cual se tienen en cuanta cuatro variables: el caudal líquido (q caudal unitario), el caudal sólido de fondo (qs caudal sólido unitario), la pendiente del cauce del río (i) y el tamaño del sedimento (D). El desplazamiento del fiel (medidor) de la balanza por peso en exceso (los caudales) o por un brazo en exceso (la pendiente y el tamaño) da lugar a erosión o sedimentación, según sea en uno u otro sentido. La analogía de la balanza es una herramienta útil para analizar cualitativamente el desequilibrio de un río, por ejemplo por causa de la acción humana.

Ilustración 3 Analogía de la balanza de Lane Fuente: Martín-Vide. Ingeniería de ríos

Basculamiento de fondo: Variación o cambios en la pendiente de fondo de un río. Se busca por medio de esta variación restablecer un equilibrio de fondo perdido, ya que si la pendiente está desequilibrada se generarán fenómenos de erosión o de sedimentación. Si se tiene un desequilibrio de erosión, la pendiente disminuirá y a la inversa, un desequilibrio de sedimentación puede desarrollarse en el sentido de aumentar la pendiente si se mantiene un punto fijo en el fondo aguas abajo. Bolos: Partículas de sedimentos con tamaños mayores a 25.6 cm. Carga de lecho o de fondo: Movimiento de partículas en contacto con el lecho del río, las cuales ruedan, deslizan o saltan. Carga en suspensión: Movimiento de partículas en suspensión dentro del flujo en una corriente. La tendencia de asentamiento de la partícula es continuamente compensada por la acción difusiva del campo de flujo turbulento, es decir, la carga en suspensión se refiere esencialmente al sedimento que es soportado por las componentes hacia arriba de las corrientes turbulentas que mantienen en suspensión el material de sedimentos, (con origen en el fondo del cauce o con origen en la cuenca), un periodo de tiempo considerable. El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río y en general son materiales del tamaño de limos y arcillas. Carga de lavado: Acarreo del material más fino transportado por el río proveniente de la cuenca. El origen en la cuenca significa que simultáneamente al transporte de material

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del lecho en suspensión con origen en el fondo del cauce, la corriente transporta material con origen en la cuenca u hoya hidrográfica El material de lavado es suministrado por fuentes externas (erosión de la cuenca) y no depende directamente de las condiciones locales existentes, pero si depende de las condiciones geológicas, edafológicas e hidroclimatológicas de la cuenca y su estimación se realiza a partir de la medición directa en el río, con base en los datos de aforo sólido del material en suspensión. La carga de lavado puede solamente ser transportada como carga en suspensión y es generalmente material fino menor de 50mm, que puede representar un porcentaje muy importante del transporte en suspensión. (Que a su vez es, según la zona geográfica por la cual discurre el río, la mayor cantidad del transporte sólido, por ejemplo si el río está próximo a su desembocadura con el mar, la carga de lavado es alta y si el río se analiza en la zona de origen, esta carga de lavado puede llegar a ser nula). Cauce meandriforme o meándrico: Morfología fluvial típica, que corresponde a un cauce sinuoso o con meandros. El cauce es único pero forma curvas, y la ondulación en planta se acompaña de una asimetría en las secciones transversales, ya que el calado o profundidad máxima es mayor junto a la orilla cóncava o exterior y menor junto a la orilla convexa o interior. Cauce trenzado: Morfología fluvial típica, que corresponde en general a un cauce muy ancho, compuesto de una multiplicidad de cauces menores entrelazados o trenzados, dejando islas sumergibles entre si al unirse y separarse. Son cauces inestables en el sentido en que una avenida o creciente puede cambiarlos considerablemente. Caudal dominante o formativo: El caudal que llena el cauce principal llamado también caudal de cauce lleno o caudal formativo, desarrolla la mayor o más importante acción modeladora sobre el cauce del río (en términos de velocidad v o de tensión tangencial t), puesto que un caudal mayor es menos frecuente y sobretodo apenas incrementa la acción (v o t). El caudal dominante o formativo es el determinante esencial de la geometría hidráulica del río Caudal ecológico (Qe): El caudal ecológico es el caudal mínimo que se necesita para mantener las especies de flora y fauna existentes en el medio. Este caudal ecológico se toma generalmente entre el 10% y el 20% del caudal líquido total transportado. Según se centre la atención en unas u otras especies, el caudal será diferente y estos valores, en casos especiales, pueden considerablemente ser superados, ya que el medio físico interviene por cuanto no es el caudal el que mantiene las condiciones de vida, sino unas ciertas profundidades y velocidades mínimas en su circulación. Caudal líquido (Q): Es el volumen de agua por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada. (Q=V/t) Caudal sólido (Qsp): Es la relación del peso o del volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada. (Qsp = "sedimentos / t)

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Caudal sólido unitario en peso (qsp): Es la integración en la vertical del producto de las dos variables: qsp = y se expresa en (g/s); Dónde: c = concentración de sedimentos en suspensión, en (mg/l) v = velocidad del sedimento en suspensión en (m/seg). Al peso por unidad de tiempo se le sigue llamando “caudal en peso” y es preferible esta

expresión porque las medidas practicables en un río son las velocidades del agua y las concentraciones del material sólido en suspensión expresadas en (mg/l). Ambas variables tienen una distribución en la vertical predecible o reconocible: la de velocidades v(y) es una distribución logarítmica como se deduce de la teoría de la capa límite; la de concentraciones c(y) es en primera aproximación una función exponencial negativa sobre la coordenada y (profundidad de la lámina de agua en el río). Caudal sólido en volumen (Qs): Es el volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada. Caudal sólido unitario en volumen (qs): Es el volumen de sedimentos por unidad de tiempo que cruza una sección transversal dada por unidad de anchura. (qs = "s/t/m) Clasificación del transporte de sedimentos: El transporte de sedimentos de un río puede clasificarse atendiendo a dos criterios: según el origen del material y según el modo de transporte. Según el modo, el sedimento puede transportarse en suspensión, sostenido por la turbulencia del flujo, o bien por el fondo, rodando, deslizando o saltando. Una partícula inicialmente en reposo puede transportarse a saltos por el fondo cuando se supera el umbral del movimiento, pero si el río sigue creciendo, puede transportarse luego en suspensión. Cuanto más intensa es la acción de la corriente, mayor es el tamaño del material de fondo puesto en suspensión y transportado de este modo. Esta noción nos lleva a observar que el transporte de sedimento cuyo origen es el cauce, se reparte entre los dos modos de transporte: en suspensión y de fondo. Concentración de sedimento (c): Cantidad en peso de sedimentos contenido un volumen de agua determinado, se expresa en (mg/l). Contorno de un río: Expresión utilizada para denominar las márgenes de un río. Cortante de fondo (to): Es la fuerza resistente que se genera a partir de la fricción entre el agua y el material de fondo. Llamada también tensión cortante de fondo. Cuenca: Área definida en general topográficamente y drenada por un curso de agua o un sistema conectado de cursos de agua, de tal modo que todo el caudal efluente es descargado a través de una salida simple. También se denomina: Hoya hidrográfica.

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Clasificación de los cursos o corrientes de agua: Con base en la constancia de la escorrentía, los cursos o corrientes de agua se pueden dividir en: a. Perennes.  

Corrientes con agua todo el tiempo. El nivel de agua subterráneo mantiene una alimentación continua y no desciende nunca debajo del lecho del río.

b. Intermitentes.  

Corrientes que escurren en estaciones de lluvia y se secan durante el verano. El nivel de agua subterráneo se conserva por encima del nivel del lecho del río sólo en la estación lluviosa. En verano el escurrimiento cesa, u ocurre solamente durante o inmediatamente después de las tormentas.

c. Efímero.  

Existen apenas durante o inmediatamente después de los periodos de precipitación, y sólo transportan escurrimiento superficial. El nivel de agua subterráneo se encuentra siempre debajo del nivel inferior del lecho de la corriente; no hay, por lo tanto, posibilidad de escurrimiento subterráneo.

Curva granulométrica: La manera más común de analizar la distribución de tamaños en el lecho (o granulometría) es tamizar una muestra y pesar la fracción que pasa cada tamiz pero que es retenida en el siguiente. La representación gráfica de estas fracciones en un histograma es una versión discreta, en clases de tamaños, de una función de densidad de probabilidad de los tamaños. La gráfica acumulada en la que se representa la fracción (o tanto por ciento) en peso menor que un tamaño determinado, se obtiene sumando los pesos de todas las clases inferiores. Esta curva es una función discreta de la función de distribución acumulada de la variable tamaño D. (Figura No. 4)

Ilustración 4 Distribución discreta o continua de tamaños Fuente: Martín-Vide. Ingeniería de ríos

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En esta última representación, conocida también como curva granulométrica, se entiende la nomenclatura empleada para designar un tamaño Dn es el tamaño tal que el (n)% del peso del material es menor que él. Con esta nomenclatura, si n1 > n2, entonces Dn1 > Dn2. O también, por ejemplo, D90 significa un tamaño grande o la parte gruesa del material, mientras D10 significa uno pequeño o la parte final del material (Figura No. 5).

Ilustración 5 Curva granulométrica (acumulada) continua Fuente: Martín-Vide. Ingeniería de ríos

Pensando en términos estadísticos, interesa caracterizar la distribución granulométrica o de tamaños por unas medidas de posición y de dispersión. Densidad de drenaje (Dd): Es la relación entre la longitud total de los cursos de agua de la hoya hidrográfica y su área total. Dd = L/A, en (km/km²), Donde: L = Longitud total de las corrientes de agua en (km) A = Área total de la hoya hidrográfica en (km²). Delta Aluvial: Formación geomorfológica de un río al final de su desembocadura, producido por la depositación de sedimentos, es decir, el material de lavado transportado (carga en suspensión). Esta formación tiene forma de delta (D), ya que se ramifica en varios ramales en su proximidad al mar. Densidad (rs): La densidad de un fluido o una mezcla representa la masa de fluido o mezcla contenida en la unidad de volumen; r = masa/volumen [ML-3] (kg/m³). La densidad de los líquidos y las mezclas depende de la temperatura y es prácticamente independiente de la presión. Densidad relativa (DR o d): Es la relación entre la densidad de una mezcla (puede ser agua con sedimentos) y la densidad del agua;

, esta expresión es adimensional.

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Diámetro característico: Tamaño medio de las partículas con el cual pueden ser caracterizadas para diferentes propósitos. Dunas: Las dunas son formas de fondo en un río, que presentan ondulaciones triangulares pero con taludes diferentes en su formación: el de aguas arriba es muy suave y el de aguas abajo muy pronunciado. El tamaño de la duna es de un orden de magnitud mayor que el de los ripples o arrugas, pero además está en una proporción constante con el calado. La superficie libre se ondula suavemente en oposición al fondo (descenso sobre la cresta y ascenso sobre el valle), lo que indica que el régimen hidráulico es lento. Las dunas migran hacia aguas abajo; su movimiento es el resultado del avance de los granos sobre la pendiente suave para quedar atrapados tras la cresta. El transporte de fondo en lechos de dunas se puede cuantificar a través de su velocidad de avance. Encauzamiento: A pesar del amplio uso de la palabra es difícil definir qué se entiende exactamente por encauzamiento. Un encauzamiento, en sentido amplio, es cualquier arreglo o intervención que toma un tramo de río (un tramo de cauce) como su objeto de actuación primordial, a lo que se denomina obra de encauzamiento Con esta definición se excluyen por ejemplo las obras de aprovechamiento del río (del caudal de agua, principalmente) y las obras de infraestructura (vial o de servicios) que interactúan con el río, todas las cuales pueden llamarse sin embargo, con mayor o menor propiedad, obras fluviales. Erosión en un cauce: La erosión en un cauce es el descenso del fondo, o el retroceso de las orillas, como consecuencia de fenómenos de dinámica fluvial naturales o suscitados por obras civiles del hombre. Como indica la balanza de Lane, la erosión es también una respuesta del cauce a la falta de equilibrio entre las variables principales. Ya que una de estas variables, el caudal sólido es de tan incierta cuantificación, es lógico que la erosión sea extraordinariamente difícil de prever. Erosión general: La erosión general del fondo se puede explicar por la acción de un flujo de agua caracterizado simplemente por una velocidad media. Afecta a tramos largos del cauce y sería la única o primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad. Erosión lateral: Se llama erosión lateral al proceso erosivo o de desgaste de las orillas de un río. Erosión local de fondo: La erosión local del fondo se explica por la acción de un flujo más complejo, que en una sección de la corriente (vertical u horizontal) requeriría una descripción bidimensional de las velocidades. Se presenta asociada a singularidades, como obstáculos. La erosión local afecta a una pequeña extensión y el flujo local tiene una fuerte turbulencia y desarrolla vórtices. (Remolinos) También puede hablarse de erosión general de orillas o márgenes en tramos rectos y de erosión local de orillas en tramos rectos. Erosión progresiva: Es la erosión que avanza hacia delante y hacia aguas abajo.

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Erosión regresiva: Es la erosión que avanza hacia delante y hacia aguas arriba. Erosión transitoria: Es el descenso del fondo durante la fase ascendente de una avenida o creciente. La erosión transitoria tiene una clasificación temporal de la erosión, a diferencia de la clasificación espacial. Erosión permanente: Erosión a largo plazo ocasionada por un desequilibrio geomorfológico o causado por el hombre. La obra humana que más señaladamente causa una erosión general a largo plazo es la construcción de un presa. Extradós de la curva de un río: Orilla externa de la curva de un río, en sentido de aguas arriba hacia aguas abajo. También esta orilla llamada extradós es la curva de mayor longitud. (Figura No. 6) En el caso de la figura, el extradós es la orilla izquierda y el intradós es la orilla derecha en el sentido o dirección del flujo, desde aguas arriba hacia aguas abajo.) (Intradós: Orilla interior de la curva de un río, curva de menor longitud).

Ilustración 6 Definición de los conceptos de extradós e intradós en las orillas de un río Fuente: Martín-Vide. Ingeniería de ríos

Formas en planta: En la morfología fluvial, se distinguen tres morfologías típicas: la primera es el cauce recto, la segunda es el cauce trenzado y la tercera es la de un cauce sinuoso o meandriforme (ver cauce recto, trenzado y meandriforme). Las formas en planta básicamente se refieren a la geomorfología de los ríos analizada en una vista de planta. Formas de fondo: El fondo de un río con transporte de sedimentos, es decir, habiendo superado el umbral del movimiento, puede presentar una configuración no plana sino ondulada siguiendo las llamadas formas de fondo, las cuales tienen importancia porque participan en el transporte de sedimentos y porque intervienen decisivamente en la resistencia al flujo (rugosidad). Las formas de fondo ocurren con toda propiedad en lechos de arena, mientras que en ríos de grava y en ríos con materiales gruesos de

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granulometría extendida parece que se presentan limitadamente o no se presentan. Las formas de fondo más comunes son: rizos o ripples, dunas, fondo plano, antidunas y los rápidos o pozos. Geomorfología: Estudio de la interrelación entre las formas terrestres y el medio que las contiene. La geomorfología estudia, entre otros, temas relacionados con la morfodinámica de los ríos, que consiste en la relación dinámica entre los procesos transformadores de las superficies de erosión y sedimentación y consecuentemente las geoformas generadas. Grados de libertad de los ríos: El grado de libertad de un río, se define como el número de parámetros que se pueden ajustar libremente con el tiempo, al pasar gastos líquidos y sólidos preestablecidos. Se pueden establecer cuatro grados de libertad: 







Flujo con un grado de libertad: Hace referencia a la variación de la profundidad d (tirante) de la lámina de agua del río. Para este grado de libertad, conocido el caudal, se requiere sólo una ecuación para despejar la incógnita, que es d. Flujo con dos grados de libertad: Hace referencia a la variación y ajuste de dos variables geométricas, generalmente la profundidad d y la pendiente longitudinal So para un caudal dado. Flujo con tres grados de libertad: Una corriente con tres grados de libertad es aquella que ajusta libremente tres variables geométricas, generalmente la profundidad d, el ancho B y la pendiente longitudinal So para un caudal dado. Flujo con cuatro grados de libertad: Para algunos autores existe un cuarto grado de libertad, cuando cauces que tienen tres grados de libertad, es decir, que ajustan la profundidad, el ancho y la pendiente, adicionalmente se mueven en el plano horizontal y llegan a desarrollar meandros.

Granulometría: Procedimiento para analizar la distribución de tamaños en el lecho de un río. Es también la medida de los diferentes tamaños de las partículas que constituyen el lecho de un río. Los lechos de los ríos pueden ser cohesivos o granulares, pudiéndose estos clasificar de acuerdo con su granulometría, que puede ser en peso o en porcentaje que pasa determinado tamiz. Gravas: Partículas de sedimentos con tamaños entre 2.0 mm y 64.0 mm. Hidráulica Fluvial: El estudio de los ríos, las intervenciones humanas en los ríos, el aprovechamiento de los recursos hídricos y la reducción de riesgos de daño se denomina hidráulica fluvial. Hidráulica torrencial: Rama de la hidráulica fluvial que estudia el flujo en los torrentes. En ellos, se abandona la premisa que el flujo tiene una fase sólida y una líquida, ya que es tal la cantidad de sólidos transportados que el comportamiento del fluido es no newtoniano, posiblemente con grandes bolos y una matriz de barro. El flujo se llama lava torrencial, flujo de derrubios o escombros. El avance de un flujo como una pared o frente de onda se produce en torrentes y también en ríos de menor pendiente bajo avenidas súbitas.

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Hidrograma: Se denomina hidrógrafa o hidrograma de caudal, la representación gráfica de la variación del caudal líquido en relación con el tiempo. Hidrología: La hidrología versa sobre el agua de la tierra, su existencia y distribución, sus propiedades físicas y químicas, y su influencia sobre el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos. El dominio de la hidrología abarca la historia completa del agua sobre la tierra. (Definición según el Federal Council for Science and Technology). Inundación: Fenómeno producido por el desbordamiento de un río, generado a partir de una avenida o creciente. El caudal dominante del río es excedido y por ende se desborda hacia un área colindante, llenando así áreas de terreno que generalmente no tienen presencia de agua. Las inundaciones presentan graves daños directos e indirectos, por ejemplo, a la economía local de una zona. El daño de dicha inundación pueden calcularse para diferentes probabilidades de ocurrencia, y el daño principalmente es función del calado o profundidad de dicha inundación. Lámina libre: Estado de flujo, donde este, se transporta por medio de cauces naturales o canales construidos para tal fin. La lámina de agua esta siempre en contacto directo con la presión atmosférica, y existen fuerzas cortantes con la superficie que lo transporta y con el aire. Lecho cohesivo: Lecho de un río, donde las partículas que constituyen el fondo se componen de materiales cohesivos. La mayoría de los suelos naturales tienen una cierta cantidad de cohesión. Este factor fluvialmente no se entiende bien, por lo que sólo relaciones empíricas definen esta propiedad. Cuando el efecto de cohesión es despreciable, el material desprendido o suelto que está en el fondo de los ríos puede tratarse teóricamente. La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos está todavía en sus principios. Lecho de un río: Fondo o cauce de un río. Los lechos de los ríos están compuestos por materiales granulares o cohesivos. El lecho está constituido por partículas sueltas o en cohesión de distintos tamaños. Lecho fijo: Fondo de un río que no tiene dinámica del transporte de sediment os. Este fondo no se presenta en la naturaleza y solo se puede obtener con obras construidas para tal fin, empleando materiales como el concreto y otros que transportan agua libre de sedimentos o que no se depositan. Es de hacer notar que el fondo fijo no deberá confundirse con un lecho no erosionable. Lecho granular: El lecho de un río está constituido por partículas sueltas de diferentes tamaños. En los ríos aluviales, éstos lechos suelen ser granulares y son aquellos que discurren sobre materiales transportados por el propio río en su pasado geológico. Lecho móvil: Fondo de un río que tiene dinámica para el transporte de sedimentos. Este fondo se presenta en la naturaleza geomorfológica de la totalidad de los ríos. Es de hacer notar que el fondo o lecho móvil tiene relación directa con un lecho erosionable.

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Leyes de Fargue: Leyes empíricas que explican una aproximación más detallada a la morfología de un meandro, cuyo interés se encontrará en aplicaciones a encauzamientos. La observación principal de Fargue es en síntesis, que existe una relación entre la curvatura en planta del cauce y la pendiente local del fondo del río. Esta idea relaciona el movimiento horizontal del cauce (planta) con el movimiento vertical del cauce (perfil). Limos: Partículas de sedimentos con tamaños entre 0.004 mm y 0.062 mm. Material de Lavado: Materiales más finos del acarreo del río. El material de lavado solamente puede ser transportado como carga en suspensión y es generalmente material fino menor de 50mm Meandro: Formación geomorfológica del cauce de un río, cuyo cauce es único pero forma curvas. La ondulación en planta se acompaña de una asimetría en las secciones transversales, ya que el calado o profundidad es mayor junto a la orilla cóncava o exterior y menor junto a la orilla convexa o interior. Los meandros presentan una evolución que consiste en la progresión o desplazamiento en dirección aguas abajo y una profundización a costa de las orillas, en dirección perpendicular a la anterior. El ritmo de esta evolución de los meandros depende de la resistencia de las orillas a la erosión. En el caso de los ríos que discurren por llanos aluviales poco resistentes, donde no existe restricción a la “libertad” de esta evolución, los meandros se mueven grandes

distancias. Los meandros irregulares pueden ser señal de orillas resistentes. El punto final de la evolución “libre” de un meandro es el encuentro en el “cuello” para desarrollar

un corte y el abandono de los lóbulos.

Morfología Fluvial: Estudio de las formas que pueden generarse en un río de acuerdo con su dinámica, estas formas pueden ser en planta o en perfil. Número de Froude (Fr): El número de Froude se define como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas debidas a la gravedad, es decir:

, Donde: n = Velocidad media del flujo. g = Aceleración de la gravedad. l = Profundidad hidráulica (D), que es igual a la relación del área mojada (A) de la sección sobre el ancho superior de la superficie libre o ancho superficial (T), es decir, D = A/T. El número de Froude tiene importancia en flujos con velocidades grandes que ocurren por la acción exclusiva de la gravedad; tal es el caso del flujo turbulento (que es que se presenta en los ríos) a superficie libre, donde los efectos viscosos son despreciables. A

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medida que aumenta el número de Froude, mayor es la reacción inercial de cualquier fuerza; en tanto disminuye, mayor es el efecto de la fuerza gravitacional. Número de Reynolds (NRe): El número de Reynolds se define como la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas, es decir: , Donde: V = Velocidad característica del flujo, l = Longitud característica, r = Densidad de la masa y, m = Viscosidad del fluido. n = Viscosidad cinemática. (n = r/m) Número de Reynolds del grano (Re*): El Número de Reynolds del grano, llamado también Número de Reynolds granular refleja como cociente el valor relativo de las fuerzas de inercia y las viscosas en el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. A mayor Re* el movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields tiende a ser horizontal. El Número de Reynolds granular se expresa como: Re* =

,

Dónde: V * = Velocidad característica de corte del grano

D = Longitud característica

,y

n = Viscosidad cinemática del fluido. Orden de las corrientes de agua: Orden que ocupa en un sistema de drenaje una corriente de agua. Refleja el grado de ramificación de las corrientes de agua dentro de una hoya hidrográfica. Se dividen en:    

Corrientes Corrientes Corrientes Corrientes

de primer orden: Pequeños canales que no tienen tributarios. de segundo orden: Cuando dos corrientes de primer orden se unen. de tercer orden: Cuando dos corrientes de segundo orden se unen. de orden n+1: Cuando dos corrientes de orden n se unen.

Orillares: Depósitos aluviales asociados con la migración lateral de la orilla de los ríos meándricos trenzados. Paleocauce: Cauce abandonado por un río, también suele llamársele madrevieja.

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Peso específico (gs): Representa el peso de una sustancia (un fluido por ejemplo) por unidad de volumen. Sus dimensiones son (FL-3). Los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales cuyo peso específico tiene poca variación. El valor medio para los sedimentos es gs = 2.65 T/m³ o bien el peso específico relativo es gs / g = 2.65. Piedemonte: Región transicional entre las vertientes y la llanura, dominado por abanicos y terrazas. Potencia de la corriente: Concepto que explica de manera concisa y sencilla, a pesar de las muchas variables que intervienen, la capacidad de “arrastre” de un río.

El concepto de potencia de la corriente de un río, se define como la cantidad de energía por unidad de área y se expresa por la siguiente ecuación:

, Donde:

P = Potencia de la corriente, (kg·m/seg/m²) g=

Peso específico del agua, (kg/m³)

y = Profundidad de la lámina de agua del río, (m) So = Pendiente del fondo del río, (m/m) V = Velocidad media de la corriente del río, (m/seg) Precipitación: Agregado de partículas acuosas, líquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas que caen de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo. Precipitación es, en general, el término que se refiere a todas las formas de humedad emanada de la atmósfera y depositada en la superficie terrestre, tales como lluvia, granizo, rocío, neblina, nieve o helada. Las precipitaciones pueden ser clasificadas de acuerdo con las condiciones que producen movimiento vertical del aire: convectivas, orográficas y de convergencia. Rápidos y Pozos: Formas de fondo que se presentan debido a que la superficie libre del río presenta una fuerte ondulación en consonancia con el fondo, lo que indica que el régimen hidráulico de la corriente es rápido. La evolución de este régimen conduce a la aparición de crestas y espuma y finalmente verdaderos resaltos hidráulicos. En ocasiones se añade a la clasificación de formas de fondo una llamada “rápidos y pozos”,

que es punto final de la evolución indicada y se presenta en ríos de gran pendiente. Estos hechos sugieren la idea de que el régimen rápido no ocurre en forma estable y prolongada en los cauces naturales porque el fondo es deformable y móvil. (De igual forma suele denominárseles en la literatura al rápido, vado y al pozo, foso u hoyo) Recursos Hídricos: Capital hídrico con que cuenta una Nación o zona geográfica determinada para su aprovechamiento y desarrollo. Estos recursos pueden contener las aguas superficiales y subterráneas, además de las regiones costeras.

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Régimen Hidrológico: Sistema de fenómenos naturales que gobiernan situaciones tales como: las lluvias o precipitaciones, magnitud de caudales líquidos y sólidos y procesos de escorrentía superficial y subterránea. Represamiento: Bloqueo de un drenaje por movimientos en masa, por ejemplo, un deslizamiento. Resistencia al flujo: Fenómeno físico de rozamiento del flujo de agua que corre por una sección determinada con el medio natural que lo contiene. Esta fuerza de rozamiento se produce al friccionar dos medios diferentes como son: el agua y el lecho del río, y el agua y el aire, ya que la lámina de agua se encuentra a superficie libre. Río Aluvial: Los ríos aluviales son aquellos que discurren sobre materiales transportados por el propio río en el pasado geológico y por ello sus lechos suelen ser granulares. Río torrencial: Se llaman ríos torrenciales los que tienen una pendiente mayor del 1.5% y torrentes los cursos de agua de pendiente mayor que el 6%. Río: Elemento natural que recoge las aguas de una cuenca y las transporta en lámina libre hasta su desembocadura. El río es un sistema de flujo mixto con agua y sedimentos (material que procede del cauce mismo del río o de la hoya hidrográfica a la cual pertenece). Los ríos a pesar de todas estas variables que los afectan, buscan y permanecen en equilibrio en todos sus cuatro grados de libertad que permiten desarrollar, transportando agua sobre el material del valle, acarreado por el propio río. Este material puede ser movido y arrastrado por el agua, modificándose así los contornos y el fondo o lecho del río mismo, variando además sus secciones transversales de gran manera con el paso del tiempo y dependiendo de las situaciones climáticas a las cuales se haya sometido en ese lapso de tiempo. Rizos o ripples: Pequeñas ondulaciones con altura máxima del orden de centímetros y longitud de onda máxima del orden de decímetros. Sólo aparecen con arena fina (< 0.6 mm) y su presencia indica que el movimiento no es turbulento rugoso en el fondo (o sea, la capa límite granular recubre el grano). Se adopta también la palabra arruga (en la literatura española se suele denominar arruga), por imitación del portugués ruga con el mismo significado, para evitar el anglicismo ripple o ripple marks Rugosidad: Cuando la superficie de un material se amplifica, se puede observar fácilmente que está formada por irregularidades o asperezas de diferentes alturas y con distribución irregular o aleatoria, a esta situación se le denomina rugosidad. La rugosidad del lecho de un río tiene el mismo principio, ya que el fondo presenta diversas y variadas irregularidades y casi nunca se presenta un lecho plano. Sedimento: La palabra sedimento designa colectivamente el diferente material en tamaño que conforma un lecho de un río. Sedimentograma: Se denomina hidrograma de caudal sólido o sedimentograma a la representación gráfica de la variación del caudal sólido (sedimentos) en relación con el tiempo.

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Sinuosidad de las corrientes de agua (S): Es la relación entre la longitud del río principal medida a lo largo de su cauce, L (km), y la longitud del valle del río principal medida en línea recta o curva, Lt (km). S = L/Lt (valor adimensional) Sistema de drenaje: Es aquel que está constituido por el río principal y sus tributarios o afluentes. Socavación: La socavación, definida según la ASCE (Manual 43) es “la acción erosiva del agua de una corriente, excavando y transportando el suelo del lecho y de las márgenes”. La socavación puede tener lugar tanto en suelos sueltos como en rocas sólidas. La socavación es frecuentemente la causa que deja un puente fuera de servicio, dando lugar al cierre de una carretera, la pérdida de la vida útil del mismo (desde el punto de vista de la cimentación del puente en el río), demoras en el tráfico y grandes costos de reparación. La socavación es un fenómeno natural que tiene lugar fundamentalmente en las corrientes aluviales, pero no se limita de ninguna manera a tales corrientes dado que el desplazamiento del lecho en el cauce y del terreno en las márgenes por procesos de socavación es un fenómeno que puede encontrarse en todo tipo de río o corriente. Terraza aluvial: Depósito aluvial correspondiente a un antiguo nivel fluvial, actualmente disectado. Thalweg: Línea que une los puntos de mayor profundidad o calado a lo largo del cauce principal de un río. En navegación fluvial esta línea, en teoría, resulta ser la línea más adecuada para el transporte fluvial. Torrente: Cursos de agua con pendientes en general superiores al 6%. Transporte de material del lecho: Transporte de sedimentos en una corriente de agua que tiene su origen en el lecho del río. Esto significa que el transporte es determinado por las condiciones del lecho y del caudal (puede consistirse en transporte de fondo y en carga en suspensión). Este movimiento de partículas en contacto con el lecho del río puede realizarse rodando, deslizando o saltando. Como el origen de este material es en el lecho del río, donde su disponibilidad es prácticamente ilimitada, la carga que puede ser transportada depende de la potencia del flujo y en consecuencia se establece una relación directa entre este tipo de transporte y el caudal líquido. El transporte de fondo o de material del lecho tiene sin embargo la mayor repercusión morfológica sobre el río mismo, ya que causa sus modificaciones y por ello es de interés en ingeniería fluvial. El transporte de fondo (y más exactamente el transporte de material del cauce) está ligado a las características hidráulicas del cauce: ancho, pendiente, granulometría, caudal, etc. Transporte por arrastre de fondo: Transporte de sedimentos donde las partículas están parcialmente sustentadas por el lecho del río. Se ha supuesto arbitrariamente que este movimiento se desarrolla en una capa delgada de dos diámetros de espesor. La

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concentración en esta capa es muy alta y es la fuente para alimentar la suspensión en otros puntos de la vertical. Transporte en saltación: Transporte adicional de material (sedimentos) por arrastre, que a veces no es tenido en cuenta debido fundamentalmente a su magnitud; este transporte está en una zona por encima de la zona definida para la carga de arrastre y que se mueve por saltación. Para fines prácticos esta zona se define, por encima del fondo, entre los 5.0 cm y los 30.0 ó 50.0 cm, dependiendo de la profundidad del agua en la sección vertical de aforo, en general se asume como 50.0 cm para profundidades mayores de 3.0 m. Transporte en suspensión: Transporte de material suspendido en la corriente de un río. El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río y dentro de él el material de lavado puede ser una parte grande. Este material de lavado está ligado a las características hidrológicas de la cuenca: la litología, los suelos, las pendientes, la vegetación, la precipitación, la escorrentía, etc. De hecho la pérdida de suelo de una cuenca podría cuantificarse mediante el material de lavado transportado por el río. El material transportado en suspensión tiene gran repercusión en la salida o desembocadura de un sistema fluvial: en la formación de los deltas o la colmatación de los embalses. Transporte Total: La suma total de las descargas de sedimento transportado en suspensión (material del lecho y de lavado), arrastre (material del lecho) y saltación (material del lecho), constituye la descarga o transporte total. Umbral o principio del movimiento: Un lecho granular que soporta la circulación de una corriente de agua verá en algún momento desplazada una partícula por la fuerza del arrastre del agua. Saber en qué condiciones y en que momento ocurre esto, es el problema del umbral del movimiento, principio del movimiento o condición crítica del movimiento de fondo, problema intensamente investigado en hidráulica fluvial, con gran implicación práctica sobre la erosión de fondo. El conocimiento que se tiene proviene principalmente de ensayos de laboratorio con arenas uniformes. Aunque no hay acuerdo completo, si parece dibujarse un consenso en torno a un resultado conocido como el ábaco de Shields. Velocidad de corte (V*): Velocidad característica de fondo, se expresa como: V* = Velocidad característica de corte del grano; lo más interesante de V* es que, como velocidad significativa para el fondo es la más indicada para constituir un Número de Reynolds granular, Re* = . A mayor Re* el movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y entonces la curva de Shields tiende a ser horizontal. Esta velocidad se define convencionalmente a partir de la tensión to, como

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o =  V*)² o

V* =

.

(El Número de Reynolds granular tiene estrecha relación con el ábaco de Shields). Viscosidad: La viscosidad de un fluido o una mezcla es una medida de su resistencia a fluir como resultado de la interacción y cohesión de sus moléculas. Tiene unidades en (N·seg/m²) o (m²/seg). Volumen neto de caudal sólido: También el transporte de fondo se expresa frecuentemente en peso, además de darse en volumen. En este caso hay hasta cuatro modos de expresarlo y no deben confundirse. La primera expresión de la magnitud del transporte de fondo es el volumen neto, que corresponde exactamente a la definición del caudal sólido. Volumen bruto o total de caudal sólido: Segunda expresión de la magnitud del transporte de fondo, este incluye los huecos o espacios vacíos que componen el material (sedimentos). Designando por l el índice de huecos o espacios vacíos, que es función de la granulometría del material,

El volumen bruto es:

veces el volumen neto. También se denomina a

Este concepto volumen de empaquetamiento del material Volumen en peso seco de caudal sólido: Tercera expresión para la magnitud del transporte de fondo, cuya relación con el volumen neto es el peso específico (2650 kp/m³ en materiales naturales). Volumen en peso sumergido de caudal sólido: Cuarta expresión de la magnitud del transporte de fondo, cuya relación con el volumen neto es el peso específico sumergido (1650 kp/m³).

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1.3. Etapas de los ríos De acuerdo con el estado de desarrollo de un río en el ciclo de erosión, al considerarlo como un sistema, se pueden distinguir tres etapas: torrencial, moderada y terminal.

Ilustración 7 Etapas de los ríos Fuente: Agencia Catalana de l’Aigua (ACA)

1.3.1. Etapa torrencial. Se presenta en las regiones montañosas, donde se inicia el crecimiento del río al unirse a varios tributarios. Las corrientes de agua en esta etapa son fundamentalmente agentes de erosión, el valle es bastante estrecho, cuando la corriente indenta los suelos y rocas blandas es en forma de V, o en forma de U alargada y angosta en rocas duras, dependiendo desde luego de la estratificación. La característica principal de las cabeceras de la corriente principal y de sus afluentes son las cascadas y los rápidos. En esta etapa, con relación a la dinámica de la fuente, es común que se presente la condición de régimen torrencial o supercrítico (NFr > 1), caracterizado por tener una cuenca reducida, valles estrechos, perfil longitudinal irregular y acentuado, caudal pequeño o moderado en estiaje, y ocurrencia de crecientes considerables en el periodo lluvioso. En las zonas montañosas cada corriente posee una cuenca de drenaje o cuenca receptora que por lo general tiene forma de embudo, con laderas de alta pendiente que ocasionan la concentración rápida de las aguas en un punto central donde comienza la garganta. Es la región más alta de la fuente y de ella proviene un alto porcentaje del material de acarreo. En la cuenca receptora pequeñas quebradas se van uniendo a otras mayores que confluyen en la corriente principal. A continuación de la cuenca receptora se localiza la garganta, canal por el cual corren hacia la parte inferior de la montaña (el

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piedemonte) las aguas captadas en la cuenca; en la mayoría de los casos presenta orillas abruptas y encajonamiento. Es aquí donde se manifiesta con toda su intensidad el carácter torrencial, debido a la pendiente longitudinal fuerte e irregular, que, a su vez, origina altas velocidades durante las crecientes. Es natural que en este tramo del cauce se encuentren materiales de todos los tamaños, unos que proceden de la cuenca receptora y quedan depositados durante el descenso de las avenidas o otros que son producto de deslizamientos en las laderas de las márgenes o de desprendimientos de las partes altas debidos a fenómenos de meteorización. La inestabilidad de las laderas ocurre a medida que hay profundización del cauce y por lo tanto aumenta la altura y el ángulo de los taludes naturales. Con frecuencia se observa un efecto de socavación o pérdida de soporte en la pata de depósitos de tipo coluvial que ocupan valles inclinados casi siempre recostados sobre la componente débil de una formación de rocas sedimentarias. En la zona de montaña, con ríos y quebradas que van excavando incisiones cada vez más profundas, donde ocurre con alguna frecuencia el efecto de avalancha, consistente en una sucesión de eventos en la cual primero tiene lugar el sobreempinamiento de la ladera que coloca a los materiales de meteorización que la conforman en un estado precario de estabilidad. Es frecuente que cuando ocurren fuertes lluvias, se presente la falla del talud y la masa desplazada tapona temporalmente el cauce. Se forma un embalse y su nivel crece hasta desbordar el obstáculo, logra romperlo y arrastrarlo en masa de lodo, roca y vegetación que desciende impetuosa con alto poder destructivo. El volumen inicial aumentará como consecuencia de la incorporación de materiales sueltos que se encuentran presentes en la zona por donde transita dicha masa. Finalmente, al llegar a una zona de topografía suave se depositará con violencia, esparciéndola en la forma característica de abanico. Las crecientes en la zona montañosa se desarrollan en tres fases en las fuentes superficiales de montaña con flujo no lodoso. En la Fase I, existe un proceso de socavación y profundización de los lechos por aguas poco turbias, al comienzo de la creciente en la parte ascendente del hidrograma, antes de que la erosión alimente de muchos sedimentos a la red hidrográfica; en la Fase II, se presenta la etapa de depositación y relleno aluvial cuando las aguas han alcanzado su nivel más alto o empezando a bajar y que en forma paralela la carga sólida llega a sus cantidades máximas; en la Fase III, al final de la crecida, las aguas relativamente limpias erosionan o arrastran parcialmente materiales sedimentados anteriormente, como secuelas se pueden presentar ondas de avenida secundaria que originan a veces terracillas.

1.3.2. Etapa moderada. Se caracteriza por la formación de zonas de inundación y depósitos laterales de acreción (crecimiento por yuxtaposición) o barras. La cuenca y el valle son amplios y extensos y

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se puede hablar de un verdadero régimen fluvial, el caudal es alto aún en los periodos de estiaje y las crecientes de importancia ocurren cuando hay lluvias prolongadas; por su inercia los aguaceros locales y aislados (en el tiempo) no alcanzan a producir crecidas de consideración. Las aguas al dejar la montaña y entrar a la parte plana (planicie aluvial) corren por un lecho de deyección formado por sedimentos llevados hasta esa zona por las crecientes. Siempre que haya un cambio brusco, de pendiente fuerte a pendiente suave, y en consecuencia una reducción en la fuerza de arrastre, se desarrollará un cono o abanico a medida que el material va siendo depositado. Los conos de deyección se caracterizan, además, por cauces con geometría inestable, donde se esperan rápidos movimientos laterales. La energía disponible por la corriente es disipada en el sentido vertical como en el horizontal debido a los procesos de erosión y a la ampliación del cauce. El río forma meandros, aunque puede adquirir otras configuraciones. 1.3.3. Etapa terminal. Se presenta en zonas costeras o donde la corriente va a entregar su caudal a otro mayor; se forman planicies de inundación y los deltas aluviales, el río adquiere un carácter distributivo al dividirse y subdividirse en cauces menores, al contrario de lo que ocurre en la etapa juvenil, en la cual el carácter del río es distributivo. La energía disponible es apenas la necesaria para arrastrar la carga que le llega de sus afluentes, es decir que su pendiente es apenas suficiente para el transporte. La erosión vertical cesa, aumentando la sedimentación y la formación de la planicie aluvial. 1.4. Sistema fluvial Es aquel espacio fluvial formado por tres componentes básicos: la zona fluvial, el sistema hídrico y la zona inundable.

Ilustración 8 El espacio fluvial

Fuente: Agencia Catalana de l’Aigua (ACA)

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1.4.1. Zona fluvial

La zona fluvial es la zona del espacio fluvial que ocupa el río. Está constituida por el cauce o lecho (con presencia continuada o no de agua) y las riberas. En la zona fluvial encontramos los sistemas biológicos asociados, así como la morfología del cauce y sus riberas. Forma un ecosistema debido a que es el nexo de transmisión de vida. Para limitar la zona fluvial, se toma como referencia la línea base surgida de la delimitación de las crecidas máximas de periodo de retorno de 10 años.

Ilustración 9 Zona fluvial Fuente: Agencia Catalana de l’Aigua (ACA)

1.4.2. Sistema hídrico

El sistema hídrico es la zona del espacio fluvial reservada a la preservación correcta y plena del régimen de corrientes en caso de avenida, debido a que es una zona con un riesgo elevado de inundaciones. Es una zona imprescindible para el río, ya que permite el paso del flujo de agua en avenida y, al mismo tiempo, la relación medioambiental con el resto de elementos naturales. La delimitación del sistema hídrico toma como referencia la franja delimitada por la línea de cota de inundación de la avenida de periodo de retorno de 100 años, dándole cierto sentido y continuidad.

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Ilustración 10 Sistema hídrico

Fuente: Agencia Catalana de l’Aigua (ACA)

1.4.3. Zona inundable

La zona inundable es la zona del espacio fluvial que el río llega a ocupar esporádicamente coincidiendo con avenidas extraordinarias. Tiene un carácter extemporáneo, la preservación de la zona inundable se dirige a evitar daños importantes si bien, ya diferencia de las otras dos zonas (la zona fluvial y el sistema hídrico), es una zona del espacio fluvial modificable por el actividad humana, pero siempre con condiciones. Para la delimitación de la zona inundable se toma como referencia la línea de cota de inundación de la avenida de periodo de retorno de 500 años.

Ilustración 11 Zona inundable Fuente: Agencia Catalana de l’Aigua (ACA)

Durante la mayor parte del tiempo, ríos, arroyos y torrentes mantienen sus aguas contenidas dentro del espacio entre la cama o lecho y los márgenes o ribera, ocasionalmente se puede producir un incremento de la escorrentía superficial de tal manera que los cauces no pueden contener los caudales superficiales inundando los espacios próximos (zona inundable), es lo que se conoce con el término de avenida.

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1.5. Ríos en equilibrio y en régimen Se dice que un río está en equilibrio cuando las pendientes que ha adquirido y en consecuencia su potencial energético, es exactamente suficiente para transportar el material que le es suministrado a través del sistema fluvial. Este concepto sólo se puede aplicar bajo una condición momentánea, pues ningún curso de agua está continuamente en equilibrio; por esto se dice que un río está en régimen cuando ni deposita ni erosiona su cauce sobre un periodo largo de tiempo, aunque existan periodos de erosión o depositación de sedimentos momentáneos, es decir, en periodos o ciclos de tiempo cortos. Cualquier cambio sobre el sistema fluvial, especialmente en lo referente al caudal, altera la estabilidad y conduce a que el sistema comience acciones tendientes a restablecerlo, ajustando su pendiente, características y dimensiones mediante erosión o depositación de material. Cuando el río erosiona, el fenómeno avanza y pueden socavar obras importantes, como son las fundaciones de los puentes, las descargas de los colectores y las tomas de acueducto. Por su parte, la depositación de sedimentos puede enterrar descargas de colectores, puentes y tomas de agua, así como rellenar obras de almacenamiento de agua. La erosión y la depositación no sólo afectan el río y a cualquier obra de urbanismo construida en él, sino que estos cambios interesan también a los cauces tributarios. Por tanto, cualquier alteración causada a un río, que lo obligue a cambiar su estado de equilibrio, puede tener consecuencias mucho mayores e influir en sitios alejados del área donde ocurrió el cambio. 1.6. Caudal dominante La geometría es consecuencia del caudal y más concretamente, que si una geometría es permanente se debe a que ciertos caudales, por su magnitud, por su frecuencia o por una combinación de ambas cosas, se convierten en los caudales determinantes.

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Esta noción tiene un referente claro en geomorfología fluvial, ya que muchos ríos tienen un cauce, lecho, madre, álveo diferenciado, más o menos hondo y limitado por unas orillas que lo separan de las llanuras de inundación

Ilustración 12 Efecto del caudal dominante en la formación de un cauce estable de un río con llanura de inundación. Fuente: OBRAS HIDRÁULICAS 3º IOP. ETSECCP. A Coruña Introducción a la Ingeniería Fluvial

El río se desborda de su cauce en periodos de inundación que ocurren periódicamente, y este caudal que llena a rebosar el cauce, es especialmente importante porque es el responsable principal de la forma y dimensiones del mismo. Esto es así porque mientras el agua está contenida en el cauce, circula con cierta velocidad, en tanto que cuando se desborda levemente, el incremento de caudal inunda las llanuras adyacentes y deposita sedimento en ellas, pero no cambia sustancialmente el flujo en el cauce central. Así, por efecto de la sedimentación, crecen las llanuras y poco a poco hacen más infrecuente el desbordamiento. Este proceso tiende a un equilibrio en sentido geomorfológico, con un cauce principal que contiene las aguas la mayor parte del tiempo, excepto unos pocos sucesos (avenidas) que exceden su capacidad. El caudal que llena el cauce principal desarrolla la mayor o más importante acción modeladora sobre el cauce (en términos de velocidad o en términos de tensión tangencial τ), puesto que un caudal mayor es menos frecuente y sobretodo apenas incrementa la

acción. Por eso este caudal de cauce lleno se conoce también como caudal formativo o dominante. Para calcular el caudal dominante existen varios métodos de diversa complejidad, aunque un orden de magnitud para el caudal formador se situa en la avenida que se da dos veces al año como promedio o bien, según otros, un caudal con un periodo de retorno de 1.4 años. El caudal formativo sería el determinante de la geometría hidráulica.

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CAPITULO 2. PLANEACIÓN Y DISEÑO

2.1.

Información secundaria

Para el estudio preliminar y la ejecución de su análisis para el comportamiento de una determinada cuenca, se precisa de información cartográfica, topografía, geológica en cuanto al estudio uso del suelo, hidrográfico e hidrológico, climatológica y la permeabilidad de la región en estudio entre otros. 2.2.

Descripción general del Rio

Inicialmente se debe realizar una caracterización general del rio donde se especifique 



2.3.

Localización del Área de Estudio: Ubicación de las coordenadas geográficas de los cuadrantes entre los que se encuentra ubicada la Cuenca del Río, cartográfica Área (superficie) de la cuenca: Delimitación de la cuenca. Topografía de la cuenca:

 

2.4.

Elevaciones de la cuenca que varían entre una cota y otra. Conformación de la cuenca por ríos principales Geología

 

Estudios de Litología, estratigrafía, estratigraf ía, estructura del suelo, rasgos geomorfológicos geomorfológico s Uso de suelos en el sector, así como muestreos de campo para la determinación determinació n de los tipos de suelos que conforman el área de la Cuenca.

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2.5. Mide las profundidades marinas para determinar cómo es el fondo del mar. Tres aspectos son importantes en estas medidas: 

Profundidad  Posición  Reflectividad Las dos primeras permitirán trazar un plano de isobaras mientras que la tercera nos informará de la composición del mismo, (algas, barros, arenas, piedras etc.) será esta característica especialmente útil en operaciones de búsqueda de barcos hundidos, yacimientos petrolíferos etc. Para ello se aprovecha la retrodispersión acústica o backscatter, que consiste en el análisis de la energía (o intensidad) sonora que es devuelta al receptor y su comparación con la emitida. Así se puede estimar fácilmente de que clase son los materiales que conforman el fondo en función de la absorción sonora que tengan. Secciones Transversales del Sistema Hídrico (Batimetría): para la obtención de las secciones transversales es necesario mediciones batimétricas de las márgenes y fondo de los ríos de estudio. Estas mediciones se realizaran en puntos específicos de cada río, denominados “puntos georreferenc iado, mediante la utilización utilizaci ón de muestreo”. Cada punto fue respectivamente georreferenciado,

de un GPS. 2.6.

Información Meteorológica de la Cuenca

La temperatura promedio del sector, se debe registrar temperaturas máximas y mínimas.

Registros de precipitación en los diferentes sectores que conforman la Cuenca en estudio, esta información, se debe recopilar de registros de estaciones meteorológicas.

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CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS 3.1.

Parámetros hidráulicos y geométricos

La geometría hidráulica se refiere comúnmente a la sección transversal del cauce y su estudio se basa en las relaciones existentes entre los caudales y los niveles de agua y los diferentes parámetros hidráulicos y geométricos, tales como el área hidráulica, el ancho, la pendiente, la rugosidad y la velocidad del agua. 3.2.

Longitud de Control

La longitud de control de un río se define como la longitud del tramo aguas abajo de una sección de referencia donde los cambios morfológicos que ocurren en él afectan los niveles de agua en la sección de referencia. Un estimativo de la longitud del río que controla el nivel de agua en la estación de medición puede ser hallado al implementar el procedimiento propuesto por Samuels (1989). Sin embargo, esta longitud de control sólo debe considerarse como un parámetro que permite estimar de manera aproximada el sector hacia aguas arriba, en el cual las características hidráulicas, en especial los niveles de agua, se ven afectados de manera significativa por los cambios morfológicos ocurridos en un determinado tramo del río. Realmente los cambios morfológicos (naturales o artificiales) originados en un sitio de un río pueden propagarse hacia aguas arriba y hacia aguas abajo en tramos de longitudes apreciables que pueden ser muy superiores a las longitudes de control aquí determinadas. Estos procesos morfológicos pueden tomar períodos de tiempo bastante largos (decenas y centenares de años). Las variaciones morfológicas a su vez afectarán los distintos arámetros hidráulicos y geométricos geométric os de la corriente, incluidos los niveles de agua. La ecuación propuesta por Samuels es la siguiente:

Dónde: LC = Longitud de control

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h = Profundidad a banca llena SO = Pendiente hidráulica del río a banca llena

3.3.

Caudal a banca llena

Existe en la literatura técnica un buen número de expresiones netamente empíricas que permiten estimar el caudal a banca llena en una sección de un río. Estas ecuaciones expresan el caudal en función de diferentes parámetros hidráulicos, geométricos y de los sedimentos. Algunas de las expresiones más simples son las propuestas por Williams (1978), Riggs (1976) y Nixon (1959):

Dónde: Qb = Caudal a banca llena, m3/s. Ab = Área a banca llena, m2. So = Pendiente hidráulica a banca llena 3.4.

Flujo en Canales Abiertos y su Clasificación

El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. estos se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y también por el hecho de que la profundidad de flujo el caudal y las pendientes del fondo del canal y la superficie libre son independientes. En estas la sección transversal del flujo, es fija debida a que está completamente definida por la geometría del conducto. La sección transversal de una tubería que por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas irregulares en ríos. Además, la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de una superficie libre. Por consiguiente la selección de los coeficientes de fricción implica una mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse como flujo en canal abierto.

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3.4.1. Tipos de flujos: El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio. 3.4.2. Flujo permanente y no permanente:

Tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es ermanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.

Si la profundidad cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a. medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por Q = VA. Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media está definida como el caudal divido por el área de la sección transversal. 3.4.3. Flujo uniforme y flujo variado Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. el flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. la profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado

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puede ser permanente o no permanente es poco frecuente, el término “flujo no permanente”, se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo

variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica. Resumiendo, los tipos de flujo se pueden clasificar en dos grandes grupos:

1. Flujo uniforme 2. Flujo variado a. Flujo gradualmente variado b. Flujo rápidamente variado

1. Flujo uniforme no permanente “raro” 2. Flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente) a. Flujo gradualmente variado no permanente b. Flujo rápidamente variado no permanente

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Ilustración 13 Diferentes tipos de flujos en canales abiertos F.G.V. = flujo gradualmente variado F.R.V. = Flujo rápidamente variado. Fuente: Ven Te Chow. Hidráulica de Canales abiertos

3.4.4. Flujo laminar. Si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel muy importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar, las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre capas adyacentes.

3.4.5. Flujo turbulento. Es cuando las fuerzas viscosas son débiles en relación con las fuerzas inerciales. En flujo turbulento las partículas del agua se mueven en trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en conjunto todavía representan el movimiento hacia delante de la corriente entera. 3.4.6. Efecto de la gravedad. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo se representa por relación por las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales. Esta relación se da por el número de Froude, definido así;

Donde V es la velocidad media del flujo en m por seg., g es la aceleración de la gravedad en m/seg2, y L es una longitud característica en metros. En flujo en canal abierto, la longitud característica se hace igual a la profundidad hidráulica Y, la cual se define como el área de la acción transversal del agua, normal a la dirección del flujo en el canal,

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dividida por el ancho de la superficie libre. Para canales rectangulares esto es igual a la profundidad de la sección del flujo. Cuando F es igual a la unidad, la ecuación se convierte en:

V = gY

Entonces se dice que el flujo está en estado crítico. Un flujo en estado crítico o cerca de él es inestable. Esto se debe a que un pequeño cambio de energía específica en estado crítico o cerca de él, producirá un cambio grande en la profundidad. Si F es menor de la unidad

V < gY

El flujo es subcrítico. En este estado el papel jugado por las fuerzas de gravedad es más pronunciado; entonces el flujo tiene baja velocidad y se describe a menudo como tranquilo y lento. Si F es mayor que la unidad: V >

gY

El flujo es supercrítico. En este estado las fuerzas de inercia se hacen dominantes; entonces el flujo tiene una gran velocidad y se describe normalmente como rápido, ultrarrápido y torrentoso. 3.4.7. Regímenes de flujo En un canal abierto el efecto de la viscosidad y de la gravedad puede producir cualquiera de los cuatro regímenes de flujo, las cuales son:

Subcrítico - laminar: Cuando F (número de Froude) es menor de la unidad y R (número de Reynold) está en rango laminar. Supercrítico - laminar: Cuando F es mayor que la unidad y R esta en rango laminar. Supercrítico - turbulento: Cuando F es mayor que la unidad y R esta en rango turbulento. Subcrítico - turbulento: Cuando F es menor que la unidad y R esta en rango turbulento.

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3.4.8. Efecto de la pendiente en la distribución de presiones. Con referencia a un canal inclinado, recto de ancho unitario y ángulo de pendiente α , el peso del elemento agua sombreado de longitud dL es igual a wy cos α dL. La presión debida a este peso es wy cos α dL. La presión unitaria es por consiguiente igual a wy cos 2 α

y la altura es:

donde d = y cos α, la profundidad de agua medida perpendicularmente desde la superficie. En canales de pendiente alta la velocidad de flujo por lo general es grande y mayor que la velocidad critica. Cuando esta velocidad alcanza cierta magnitud, el agua atrapara aire, produciendo un hinchamiento de su volumen y un incremento en la profundidad.

3.5.

Principios de energía

3.5.1. Energía del flujo en canales abiertos En hidráulica elemental se sabe que la ENERGIA total del agua en metros kilógramo por kilogramo de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.

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Ilustración 14 Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos Fuente: Ven Te Chow. Hidráulica de Canales abiertos

Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura total II de una sección o que contiene el punto A en una línea de corriente de flujo de un canal de pendiente alta puede escribirse como:

Donde Z A la elevación del punto A por encima del plano de referencia d A es la es Profundidad del punto A por debajo de la superficie del agua medida a lo largo de la Sección del canal, α es el ángulo de la pendiente del fondo del canal es la altura de la velocidad del flujo en la línea de corriente que pasa a traves de A. En general cada línea de corriente que pasa a través de una sección de canal tendrá una altura de velocidad diferente, debido a la distribución no uniforme de velocidad en fluidos reales. Solo en flujo paralelo ideal con distribución uniforme de

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velocidades de altura de velocidad puede ser idéntico para todos los puntos de la sección transversal. En el caso del flujo gradualmente variado, sin embargo, para propósitos prácticos, puede suponerse que las alturas de velocidad para todos los puntos de la sección del canal son iguales y, con el fin de tener en cuenta la distribución no uniforme de velocidades, puede utilizarse el coeficiente de energía para corregir ese efecto. Luego, la energía total de lasección del canal es:

Para canales con pendientes bajas O 0. Luego la energía total en la sección del canal es:

3.5.2. Energía especifica La energía específica de una sección de canal se define como la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este. Luego de acuerdo con la ecuación , con z = 0, la energía especifica se convierte en

o, para un canal de pendiente pequeña y á = 1, 2

E=y+

2 g

La cual indica que la energía especifica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basara en la ecuación anterior para un canal de pendiente pequeña. Como V = Q/A, la ecuación anterior puede escribirse como: E = y + Q2 / 2gA2. Puede verse que, para una sección del canal y un caudal Q determinados, la energía específica en una sección del canal solo es función de la profundidad de flujo.

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Ilustración 15 Curva de energía específica Fuente: Ven Te Chow. Hidráulica de Canales abiertos

3.6.

Rugosidad de superficie.

La rugosidad superficial se presenta por la forma y el tamaño de los granos del material que forman el perímetro mojado y que producen un efecto retardador de flujo. Por lo general este se considera como el único factor para la selección de un coeficiente de rugosidad, pero en realidad es solo uno de varios factores principales.

En general granos finos dan como resultado un valor relativamente bajo de n, y granos gruesos, un valor alto de “n”. 3.6.1. Material y transporte de fondo. El material suspendido y el transporte de fondo, consumirá energía y ocasionaría perdidas de altura o aumentaría la rugosidad aparente del canal. 3.6.2. Estimación de “n” por el método de la tabla. Un método para estimar n para un canal, implica el uso de tablas de valores que Chow (1959) presentó para varios tipos de canales, y la información de esta tabla se muestra en la tabla (3.1). En esta tabla se establecen mínimos normales y máximos para n, para cada tipo de canal. Los valores subrayados son recomendados para diseño.

44


Tabla 1 Valores

del coeficiente de rugosidad “n” (Chow 1959)

Tipo de canal y descripción

Mínimo

Normal

Máximo

1. Sin vegetación.

0.023

0.025

0.030

2. Musgo, algunos, pastos

0.025

0.030

0.033

3. Pastos densos, o plantas acuáticas en canales profundos.

0.030

0.035

0.040

0.028

0.030

0.035

0.025

0.035

0.040

0.030

0.040

0.050

0.025

0.028

0.033

0.025

0.035

0.040

0.035

0.040

0.050

b. Tierra, curvo y lento

4. Fondo de tierra y costado de piedra partida. 5. Fondo pedregoso y bancos con pastos. 6. Fondos de cantos rodados y costados limpios.

c.

Excavado con pala o dragado 1.

Sin vegetación

2. Pocos arbustos en los bancos.

0.035

d. Roca cortada 1. 2.

Lisa y uniforme Dentada o irregular

e. Canales sin mantenimiento pastos y arbustos sin cortar.

45



Mínimo

Normal

Máximo

1. Limpio, recto nivel lleno, sin fallas o pozos profundos.

0.025

0.030

0.033

2. Igual que arriba, pero más piedras y pastos.

0.030

0.035

0.040

0.033

0.040

0.045

0.035

0.045

0.050

0.040

0.048

0.055

0.045

0.050

0.060

0.050

0.070

0.080

0.075

0.084

C. Cursos Naturales D-1 Cursos menores (ancho superior al nivel de crecida < 100ft). a.

3.

Cursos en planicie

Limpio,

curvado algunos pozos y

bancos. 4. Igual que arriba, pero algunos astos y piedras. 5. Igual que arriba, niveles inferiores más pendientes y sección inefectivas. 6.

Igual 4, pero más piedras

7. Tramos sucios, con pastos y pozos profundos. 8. Tramos con muchos pastos, pozos profundos.

b. Cursos en montañas, sin vegetación en el canal, laderas con pendientes usualmente pronunciadas árboles y arbustos a lo largo de las laderas sumergidaspara niveles altos. 1. Fondo: grava, canto rodado y algunas rocas.

0.050 0.030

46

0.040



Mínimo

Normal

Máximo

0.025

0.030

0.035

0.030

0.035

0.050

0.020

0.030

0.040

0.025

0.035

0.045

0.030

0.040

0.050

D-2 Planicie crecida a.

Pasturas, sin arbustos

1. Pastos cortos 2. Pastos altos.

b.

Áreas cultivadas

1.

Sin cultivos

2.

Cultivos maduros alineados

3.

Campo de cultivos maduros

c.

Arbustos

1. Arbustos escasos, muchos pastos. 2. Pequeños arbustos y árboles en invierno. 3. Pequeños arbustos y árboles en verano. 4. Arbustos medianos a densos en invierno 5. Arbustos medianos a densos en verano. d.

0.050 0.035

0.050

0.060

0.040

0.060

0.080

0.045

Arboles

1. Sauces densos, en verano y rectos.

0.070

0.035

0.070

0.070

0.078

0.076

0.085

0.015

0.020

0.040

0.050

2. Tierra clara con ramas, sin brotes. 3. Igual que arriba pero con gran crecimiento de brotes

0.010 0.030

47



4. Grupos grandes de madera, algunos árboles caídos, poco crecimiento inferior y nivel de la inundación por debajo de las ramas.

5. Igual que arriba, pero con el nivel de inundación.

Mínimo

Normal

Máximo

0.060

0.070

0.080

0.040

0.055

0.067

D-3. Cursos de agua importantes (ancho superior a nivel de inundación > 100ft) Los valores n son menores que los de los cursos menores de descripción similar, ya que los bancos ofrecen menor resistencia efectiva. a. Sección regular sin rocas y arbustos.

0.025

48

0.060


CAPÍTULO 4. CARACTERISTICAS GEOMORFOLOGÍAS Y MORFOLOGÍCAS

La morfología de un río aluvial es afectada y determinada por numerosos parámetros y variables, los cuales se hallan relacionados entre sí. Los principales factores que determinan la forma de un cauce aluvial son: los caudales líquidos, la pendiente, la carga de sedimentos, la geología y la resistencia al flujo. Para evaluar la morfología de un cauce y su evolución se debe considerar el río en sus tres dimensiones: la sección transversal, el perfil longitudinal, formas en planta de los cauces, forma de la cuenca, sinuosidad y formas de fondo 4.1.

Sección transversal

En la sección transversal de un cauce (Ilustración No. 16) es posible diferenciar tres niveles de agua característicos: a) el nivel de aguas bajas o de estiaje b) el nivel que alcanzan las avenidas ordinarias o más frecuentes, denominado nivel a banca llena, para el cual se observa un cambio brusco de pendiente en una o ambas márgenes del río c) el nivel de la planicie de inundación, alcanzado por las avenidas extraordinarias o menos frecuentes, conectando ya con las terrazas fluviales o laderas vertientes, donde se desarrolla una vegetación típicamente terrestre.

49


Ilustración 16 Sección transversal de un cauce indicando los distintos niveles de agua característicos Fuente: Inform e de Características Hidráulicas y Mo rfológic as -Departam ento de Mecánica de Fluid os de la Universi dad del Valle

4.2.

Perfil longitudinal

El perfil longitudinal de un cauce natural determina su pendiente, la cual es una de las variables principales que determina la respuesta morfológica del cauce. La mayoría de los ríos tienen un perfil cóncavo, es decir, la pendiente del cauce disminuye hacia aguas abajo. La forma del perfil longitudinal del cauce es el resultado de un número de factores independientes, los cuales representan un balance entre la capacidad de transporte del cauce y el tamaño y cantidad de sedimentos disponibles para ser transportados. Shulits (1941), entre otros, propuso la siguiente ecuación, que describe la variación de la pendiente del cauce en a lo largo de la distancia longitudinal: Sx = S0 exp (−αx)

Donde Sx es la pendiente en cualquier sección ubicada a una distancia x aguas abajo de una sección de referencia donde la pendiente es S0. En la ecuación anterior α es un

coeficiente de reducción de pendiente. De forma similar, el tamaño del sedimento del lecho disminuye hacia aguas abajo. Los procesos de transporte reducen el tamaño de las partículas de sedimento mediante abrasión y segregación hidráulica. La abrasión corresponde a la reducción del tamaño por acción mecánica a través de procesos tales como impacto, frotación y molienda. La segregación hidráulica corresponde al transporte diferencial de partículas de distintos tamaños, de modo que, en general, al disminuir la pendiente, el flujo pierde capacidad de transportar las partículas más gruesas del lecho. 4.3.

Clasificación de los ríos

50


Para facilitar el estudio de la morfología fluvial se suelen clasificar los ríos desde numerosos puntos de vista, lo cual permite ubicar fácilmente a cualquier cauce para determinar sus principales características. Debe tenerse en cuenta que en la naturaleza es posible encontrar situaciones intermedias a las que serán definidas en esta clasificación. 4.3.1. Según la Edad Los ríos pueden separarse en dos grupos principales, dependiendo de la libertad que tienen para modificar su cauce: a) cauces con lechos rocosos, los cuales están confinados por los afloramientos de roca, de modo que el material que forma su lecho y riberas determinan la morfología del cauce b) canales aluviales, los cuales tienen plena libertad para ajustar su cauce y pendiente en respuesta a cambios hidráulicos, y escurren en un canal con lecho y riberas constituidos por el material transportado bajo condiciones de flujo actuales. Estos últimos tienen más interés del punto de vista de la ingeniería, dado que su comportamiento puede ser afectado por la actividad humana. Desde el punto de vista de su edad geomorfológica un cauce natural se puede clasificar como joven, maduro o viejo. Geológicamente, los ríos se pueden clasificar como jóvenes, maduros y viejos. Los ríos jóvenes se encuentran en cauces de montaña, tienen pendientes altas y sección transversal tipo “V”.

Son muy irregulares y generalmente se encuentran en un proceso de degradación (erosión); Cauces jóvenes tienen perfiles transversales de forma triangular, son irregulares y de alta pendiente y sus lechos tienen material grueso y fracturado con poca abrasión. Estos cauces corresponden, por ejemplo, a ríos de montaña en zonas altas. Los ríos maduros se presentan en valles amplios y tienen pendientes relativamente bajas, la erosión de las márgenes ha reemplazado a la erosión de fondo. Estos ríos son estables y la sección transversal de cada tramo es capaz de transportar la carga de sedimento en todo su recorrido; Los cauces maduros se caracterizan por tener valles más amplios, pendientes más bajas, riberas erosionables y lechos de granulometría graduada. Las planicies de inundación son angostas. Los ríos viejos se encuentran en valles amplios y planicies cuyo ancho es 15 a 20 veces mayor que el ancho de meandros. Las pendientes son muy bajas y forman depósitos naturales de sedimentos en las márgenes. Frecuentemente se encuentran zonas de pantanos y/o lagos con formas de herradura que son restos de meandros abandonados

51


que fueron cortados en forma natural; Los cauces viejos son de baja pendiente, con valles y planicies de inundación anchos. Las riberas presentan pretiles naturales. 4.3.2. Según la pendiente La pendiente de un río establece la diferencia más importante en cuanto al régimen hidráulico. La pendiente habitual de los ríos se sitúa entre el 0.5% y el 1.5%, siendo mayor en los tramos de montaña y menor en los valles situados cerca de la desembocadura (Figura 17). Cuando la pendiente del río es superior al 1.5 % se habla de ríos torrenciales, mientras que si la pendiente es mayor del 6% se habla de torrentes. En los torrentes, debido a la gran cantidad de sedimentos transportados, el flujo tiene un comportamiento no newtoniano.

Ilustración 17 . Perfil longitudinal del río Bernesga

Fuente: Introducción a la Ingeniería Fluvial- obras hidráulicas- 3º IOP. ETSECCP. A Coruña

4.3.3. Según el tipo de fondo Según el material de lecho y cauce los ríos pueden clasificarse en ríos con lechos aluviales, de grava o de arena, o ríos con lecho rocoso o ríos encajados. Los ríos de lecho aluvial, ya sean de gravas o arenas, se caracterizan por poseer elevadas tasas de transporte de sedimentos y presentar evoluciones morfológicas rápidas (semanas, años). En los ríos sobre lechos rocosos el transporte de sedimentos es muy reducido y su evolución morfológica es mucho más lenta (decenas años, siglos) debido a la dureza del material de su cauce.

52


4.3.4. Según la forma en planta En la naturaleza es muy difícil encontrar cauces rectos y regulares. Sin embargo es habitual encontrar dos morfologías fluviales típicas: los cauces trenzados y los cauces meandriformes. Los cauces trenzados (o con anastomosis) son cauces anchos con multitud de cauces entrelazados o trenzados entre sí, que dejan islas (sumergibles) entre sí al unirse y separarse. Son cauces inestables ya que en una crecida pueden cambiar su morfología. El agua cubre todos los cauces y las grandes cantidades de sedimentos que transporta son depositados rellanando cauces antiguos. Los cauces trenzados se asocian a zonas con una gran capacidad de transporte sólido, o dicho de otro modo, una corriente muy cargada de sedimentos es propensa a forma un cauce trenzado. Son comunes en cauces de montaña con pendiente alta y sedimento grueso, o en zonas de piedemonte, donde los ríos abandonan sus cursos de montaña perdiendo pendiente y depositando su carga sólida.

Ilustración 18 cauce trenzado

Fuente: Introducción a la Ingeniería Fluvial- obras hidráulicas- 3º IOP. ETSECCP. A Coruña

Ríos o tramos de ríos de cauces aluviales pueden clasificarse como rectos, meandrosos, trenzados o alguna combinación de ellos (Fig. 18). Tramos de un rio que son muy rectos a lo largo de una gran distancia son generalmente inestables, lo mismo que tramos con muchas islas o con curvas que migran muy rápidamente. Un canal trenzado es relativamente ancho, con riberas mal definidas e inestables. Es caracterizado por un curso de agua de relativamente alta pendiente, con múltiples divisiones alrededor de islas o bancos de sedimento. El trenzamiento es un patrón que puede producirse por una combinación de dos factores:

53


El tramo de rio es alimentado con una mayor cantidad de sedimento que la que puede acarrear, lo cual resulta en la depositacion de parte de la carga de sedimentos; o b) el tramo es de alta pendiente con una caja del cauce suficientemente ancha, de modo que el flujo es de baja altura y se produce el afloramiento de barras de sedimento formándose islas en el cauce fácilmente. Los canales múltiples que se forman dentro de la caja de un rio trenzado, formados por la presencia de barras o islas, son generalmente inestables y cambian de posición en el tiempo con las fluctuaciones de caudal. Otro aspecto que favorece la formación de canales trenzados corresponde a la existencia de riberas fácilmente erosionables (de arena o grava), las cuales permiten el ensanchamiento del cauce en crecidas. Ello conduce al afloramiento de barras en periodos de bajo caudal, las cuales suelen estabilizarse debido al crecimiento de vegetación y acorazamiento del lecho, formando islas. La respuesta de un cauce trenzado ante cambios externos es difícil de predecir debido a la inestabilidad propia de este tipo de sistema fluvial. En la Fig. 19 se muestra una vista aérea del rio Maipo a la salida de la zona del Cajón del Maipo en la zona Sur-oriente de la ciudad de Santiago. En esta _gura se observa en forma clara como un cauce único restringido por la topografía encajonada de la zona montañosa se transforma, en pocos kilómetros, en un cauce trenzado al abrirse hacia el valle. El cambio de pendiente genera una reducción en la capacidad de transporte de sedimentos, lo cual cambia radicalmente la sección de escurrimiento y produce una multiplicidad de cauces que cambian dinámicamente en el tiempo. Un canal meandroso consiste en una sucesión de curvas más o menos pronunciadas que se alternan a lo largo del cauce. La forma de las curvas es determinada principalmente por las características variables del terreno a través del cual pasa el rio. Se producen pozas profundas en el lado externo de las curvas y zonas poco profundas en los cortos tramos rectos que conectan las curvas. El \thalweg", o linea principal de flujo, fluye entre pozas siguiendo la forma zigzagueante del canal meandroso. En las curvas la sección transversal de escurrimiento tiende a ser triangular, con una zona de baja altura en el lado interno, donde se localiza una barra fija de sedimento. En los tramos rectos entre curvas la sección es más bien rectangular.

Ilustración 19 Patrones morfológicos típicos de los ríos Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingenierıa Civil

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Ilustración 20 Río Maipo a la salida de la zona del Cajón del Maipo. Tramo entre Las Vizcachas y la Carretera Panamericana al Sur, aproximadamente Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingenierıa Civil

Es usual que los patrones antes definidos se mezclen entre sí. Aunque las características de los cauces trenzados y meandrosos son especialmente distintas, ellos representan dos extremos dentro de un continuo de patrones morfológicos que pueden exhibir los cauces naturales. Aparentemente, existe una relación entre la sinuosidad y la pendiente del cauce de modo que la tendencia a la formación de meandros se da para un cierto rango de pendientes, tal como se indica esquemáticamente en la Fig. 21. 4.4.

Sinuosidad

La sinuosidad del cauce se define como la razón entre la longitud del eje del cauce entre dos secciones y la distancia medida en línea recta en la dirección del máximo gradiente del valle entre dichas secciones. De esta forma canales rectos tienen una sinuosidad unitaria, mientras canales meandrosos tienen una sinuosidad superior a la unidad. Tal como se indica en la Fig. 21, a muy bajas pendientes los cauces tienden a ser rectos. A medida que la pendiente aumenta la sinuosidad también crece y el cauce se hace meandroso. A pendientes suficientemente grandes la sinuosidad del cauce tiende a disminuir nuevamente, y el cauce se vuelve trenzado. Es interesante notar que los cauces meandrosos tienden a aumentar su sinuosidad en el tiempo, a tal punto que las curvas tienden a cerrarse en sí mismas, generando lo que se denominan “cutoffs", en los que el cauc e vuelve a ser recto y la sinuosidad vuelve a ser cercana a la unidad. Cuando eso ocurre, la pendiente del cauce se incrementa localmente, dando lugar a la formación de un cauce de características más cercanas al trenzamiento, más inestable, con baja altura y afloramiento de barras formando islas. Del mismo modo una disminución de la pendiente de un cauce trenzado tendería a cambiar sus características hacia las de un canal meandroso, más estable.

55


Ilustración 21 Relación entre la sinuosidad y la pendiente del

cauce

Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingenierıa Civil

Los cauces meandriformes o sinuosos se caracterizan por tener una sinusoidad superior a la unidad. La sinuosidad se define como el cociente entre el thalweg (o lugar geométrico del cauce del río con mayor profundidad) y la longitud del valle del río (Figura 22). Se ha comprobado experimentalmente en laboratorio que una corriente de agua con sedimentos circulando en un cauce recto da lugar siempre a meandros a partir de la más mínima imperfección en la alineación recta. La ondulación en planta en el cauce se acompaña de una asimetría en las secciones transversales. Así, el calado es mayor en la orilla exterior de cada curva y menor en la orilla interior. En la orilla interior se depositan materiales que emergen en forma de playas, llamadas barras alternadas.

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Ilustración 22 Cauce meandriforme (a) Definición de thalweg y sección longitudinal y (b) efecto de la sinuosidad en el cauce Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingenierıa Civil

Los meandros son una morfología dinámica que presenta una evolución compleja, aunque de modo simplificado se puede descomponer como suma de dos movimientos: una progresión en dirección aguas abajo (progesion) y una profundización a costa de las orillas, en dirección perpendicular al anterior (Figura 23). El ritmo de la evolución y la simetría de la misma dependen de la resistencia del material de la orilla. Si la sinuosidad se incrementa demasiado, el meandro puede sufrir un proceso de estrangulamiento que llevará a la formación de lóbulos y lagos en el cauce del río.

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Ilustración 23 Cauce meandriforme (a) evolución de un meandro y (b) estrangulamiento o corte natural de un meandro Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingenierıa Civil

4.5.

Tipos de cauce

4.5.1. Cauces de lecho duro. Corresponde a ríos que fluyen sobre lechos de roca, los cuales pueden estar cubiertos por sedimentos granulares que los erosionan. 4.5.2. Cauces de lecho erodable. Son ríos de orillas resistentes que impiden la migración de los meandros, pero que pueden ajustar sus pendientes a las variaciones de la carga de sedimentos. 4.5.3. Cauces aluviales. Los ríos aluviales se caracterizan por la movilidad de sus meandros (FIG 24); las orillas, el lecho y el plano de inundación están compuestos por material aluvial que puede ser transportado por mismo el río El patrón meándrico se desplaza hacia aguas abajo a través de mecanismos de ataque en las curvas cóncavas y deposición en las convexas.

58


Ilustración 24 Migración de los meandros hacia aguas abajo Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Depar tamento de Ingenierıa Civil

4.6.

Formas de fondo

Se sabe que el flujo de agua sobre sedimento no cohesivo conduce a la formación de una gran variedad de ondas sedimentarias, genéricamente denominadas formas de fondo. Estas formas de fondo corresponden a estructuras de geometría bien definida que presentan una periodicidad espacial característica. La interacción entre el flujo y las ondas sedimentarias determina la resistencia hidráulica y también en gran medida la tasa de transporte de sedimentos. Más aun, las formas de fondo pueden afectar la morfología de los canales aluviales. Por ejemplo, la presencia de las formas de fondo denominadas barras alternadas ha sido vinculada con el desarrollo incipiente de meandros, y la presencia de barras múltiples es característica de canales trenzados. Las formas de fondo cubren un espectro bastante amplio de escalas espaciales, desde las más pequeñas, del orden del tamaño de los granos que forman el lecho móvil, hasta las más grandes, del orden del tamaño del canal que las contiene. Consideremos un experimento imaginario conducido en un canal rectangular de laboratorio, de ancho constante y lecho móvil formado por una arena relativamente fina y uniforme. Apenas la condición de movimiento incipiente de los granos de fondo es superada, puede esperarse observar en el lecho del canal la formación de pequeñas ondas, denominadas rizos, cuya altura es del orden de unos cuantos diámetros del sedimento del lecho y cuya longitud de onda es proporcional al tamaño de dicho sedimento e independiente de la altura del flujo. La formación de los rizos está relacionada con efectos viscosos por lo tanto ellos ocurren solo cuando la subcapa viscosa del flujo no ha sido totalmente destruida por la presencia de los granos del lecho (Fig. 25).

59


En condiciones de flujo subcritico con transporte de fondo generalizado, y si la altura de escurrimiento es suficientemente grande, sobre el lecho del canal se forman dunas, cuya altura y longitud de onda son proporcionales a la altura del flujo (Fig. 25). Bajo ciertas condiciones, las dunas pueden coexistir con los rizos, los cuales tienden a formarse sobre las primeras en su cara de aguas arriba. A números de Froude cercanos a la unidad, el lecho del canal se vuelve plano. A valores todavía mas altos de este parámetro puede esperarse la formación de antidunas, cuyo perfil longitudinal (a diferencia del de los rizos y las dunas que presentan en la cara de aguas abajo una pendiente mucho más abrupta que la de aguas arriba y cercana al ángulo de reposo sumergido de los granos) es semejante a una onda sinusoidal (Fig. 25). Las antidunas, también a diferencia de los rizos y dunas que siempre migran hacia aguas abajo, pueden migrar tanto hacia aguas arriba como en el sentido del escurrimiento.

Ilustración 25 Ondas sedimentarias del tipo micro y mesoformas Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingeniería Civil

En base a esta descripción, se pueden diferenciar dos regímenes: el régimen inferior del lecho, para números de Froude inferiores a la unidad donde ocurren rizos y dunas, y el régimen superior del lecho, para números de Froude superiores a la unidad donde ocurren lechos planos o antidunas (Fig. 25).

60


Si la altura de escurrimiento en el canal es inferior a aquella para la cual se formaron las dunas y todavía persisten las condiciones de transporte de fondo generalizado, dichas dunas pueden ser reemplazadas por (o incluso pueden coexistir con) barras alternadas. Estas estructuras consisten en una secuencia de frentes de onda que se orientan diagonalmente con respecto al flujo, alternándose asimétricamente, y que presentan zonas de erosión en la cara de aguas abajo de los frentes, principalmente en la zona cercana a la pared, las cuales al igual que los frentes se alternan a uno u otro lado del canal (Fig. 3.17). La longitud de onda de las barras alternadas es del orden de unos cuantos anchos del canal y la escala vertical de ellas es del orden de la altura de escurrimiento. Para alturas de escurrimiento aun más bajas que aquellas para las cuales se desarrollan las barras alternadas en el canal, puede esperarse la formación de barras múltiples, similares a estas últimas, pero que presentan dos o más frentes en una misma sección transversal que se alternan asimétricamente a lo largo del canal (Fig. 26). En cauces aluviales con lechos de grava, es decir con granulometría gruesa y extendida, las ondas sedimentarias del tipo rizos, dunas y antidunas no ocurren. En su lugar se forman una gran variedad de barras que tienen una incidencia importante en la morfología de ese tipo de cauces.

Ilustración 26 Barras alternadas y multiples. Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingeniería Civil

Este tipo de formas de fondo se denominan macroformas por su gran tamaño, que es del orden del ancho del cauce que las contiene. Los rizos que ocurren en lechos arenosos, en cambio, se denominan micro formas por su pequeño tamaño, que es del orden del diámetro del sedimento, en tanto que las dunas y antidunas se denominan mesoformas, por su tamaño inferior al de las barras, que es del orden de la altura de escurrimiento. Las barras o macroformas observadas en lechos de grava tienen su origen en una baja capacidad de transporte de sedimentos del flujo. Ellas se forman en cauces relativamente inestables cuyas características cambian rápidamente. Las barras se desarrollan a partir de lo que se denomina láminas de grava, las cuales corresponden a ondas de muy pequeña amplitud de sedimento grueso (usualmente de solo unos diámetros de espesor),

61


que migran hacia aguas abajo sobre el lecho. Estas laminas se acumulan formando barras en puntos donde el flujo tiende a diverge, es decir en zonas de baja capacidad de transporte de sedimentos. En otras circunstancias, el sedimento excavado desde una poza formada en ciertas zonas del lecho, como un fenómeno de socavación local, puede también dar lugar a la formación de barras. Se pueden identificar cinco distintos tipos de unidades 





 

Las barras longitudinales se forman en el centro del canal en un lugar donde el cauce se ensancha. Ellas son de forma convexa y elongada y crecen mediante la acumulación de sedimento más no en sus extremos de aguas arriba y aguas abajo. Las barras crescenticas, tienen forma de media luna y están ligadas a las barras longitudinales, ya que ellas pueden ser las predecesoras de estas últimas, es decir, una forma de transición entre las láminas de grava y las barras longitudinales. Las barras transversales tienden a cubrir todo el ancho del canal y se forman en zonas de expansión abrupta del cauce. Este tipo de unidad tiende a favorecer la formación de bifurcaciones del cauce. Las barras fijas o puntuales ocurren en el lado interno de una curva del cauce. Las barras diagonales tienden a orientarse oblicuamente a través del canal y están en contacto con ambas riberas.

Estas unidades son destruidas frecuentemente ante condiciones de flujo cambiantes en cauces inestables. Asimismo, ante condiciones de bajo caudal las barras tienden a emerger. Es común que las barras se transformen en una u otra de las unidades antes descritas. La transformación más común es hacia la forma diagonal, aun cuando la transformación desde una barra diagonal a una longitudinal también suele ocurrir. En general, las barras diagonales tienden a ser más estables que las otras, y eventualmente pueden convertirse en elementos cuasi-permanentes, estabilizadores de la morfología del cauce.

62


Ilustración 27 Barra de lechos de grava. Fuente: Transporte Hidráulico de Sólidos Universidad de Chile Departamento de Ingeniería Civil

Asociado a la presencia de barras, en lechos de grava suele ocurrir otro tipo de estructura, cuyas dimensiones se extienden a lo largo de tramos del cauce equivalentes a varias veces el ancho del mismo. Estas estructuras consisten en una secuencia pozas y caídas a lo largo del cauce denominado “riffle - pool” ". Los “riffle " son obstrucciones, generalmente diagonales al cauce, de material grueso, que actúan como un vertedero para el flujo. Aguas arriba de esta obstrucción se produce una barra lateral y una poza, y hacia aguas abajo sigue una caída consistente en un tramo de cauce de pendiente fuerte. La secuencia: poza - barra lateral - obstrucción diagonal - caída, se repite a lo largo del cauce alternándose con respecto a las riberas. 4.7.

Acorazamiento

Cuando se tienen cauces formados con material de granulometría extendida o suelos bien graduados, es decir material no uniforme (g > 3), el proceso de inicio de movimiento de las partículas no se encuentra bien definido, ya que las partículas pequeñas tienden a moverse primero que las más grandes y para un flujo determinado esas partículas serán arrastradas dejando al descubierto a partículas más grandes que si puedan soportar el paso del flujo, formando de este modo una especie de coraza o armadura que proteja del arrastre al material fino que lo subyace. Este acorazamiento se produce entre el límite inferior del movimiento de las partículas pequeñas y el límite superior del inicio del movimiento de las partículas de diámetro máximo. Sin embargo debido al carácter aleatorio del fenómeno siempre existe la posibilidad de que hasta las partículas más grandes se muevan. La coraza es función del tipo de granulometría del material original así como de las características del flujo, si este último es capaz de arrastrar las partículas más pequeñas solamente, el diámetro medio del material que permanece en la coraza será un poco mayor, pero parecido al original. Al continuar incrementando la intensidad del flujo este arrastre de partículas será de diámetros cada vez mayores y el Diámetro Medio de la Coraza (Dmc) irá en aumento, hasta alcanzar un valor máximo, si se vuelve a incrementar el flujo las partículas que formaban el Dmc máximo tenderán a moverse, dejando al descubierto a las partículas más pequeñas, provocando de esta manera que el Dmc disminuya. Para calcular el diámetro de las partículas que forman la coraza del fondo, se preconiza utilizar el método de Gessler, que es uno de los más completos y permite conocer la granulometría del material de la coraza, así como del material erosionado, partiendo de la definición del diámetro medio de la coraza y del esfuerzo cortante crítico que resiste. Otro método es el de Cruickshank – García, pero este método sólo permite calcular el valor de

63


Dmcmáx y el co máx y tiene la particularidad que sólo se puede utilizar para distribuciones probabilística del tipo logarítmico y log normal.

64


CAPITULO 5. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Los materiales que componen los lechos de los ríos pueden ser granulares o cohesivos. Las modificaciones modificacione s del cauce de estos últimos son más lentas debido a la mayor resistencia a la erosión. La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos es mucho más compleja que la de los lechos granulares o aluviales. Los apuntes de este curso se centran en el estudio de ríos de lechos aluviales. Una de las propiedades de mayor relevancia de las partículas de un lecho granular es el peso. En general, los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales cuya densidad ρs tiene poca variación. Un valor medio adoptado es 2.65

ton/m3. La densidad relativa (respecto del agua) del árido es ρs/ρ = 2.65. La densidad relativa sumergida ρ’ es una relación de gran uso en la Mecánica del Transporte de Sedimentos y

responde a la siguiente expresión:

Debido a esta relación aproximadamente constante de los cauces naturales, la propiedad de más importancia pasa a ser el tamaño, como representación del volumen de la partícula. Existen diferentes definiciones para establecer el tamaño de una partícula tales como: diámetro de sedimentación, de tamiz, nominal, de caída, etc. (Weber, 2000). Para representar las partículas de forma ideal se suele asumir que tiene forma ovoidal. De las dimensiones triaxiales de una partícula ideal mostradas en la figura 1 (siendo a > b > c) la medida “b” es la dimensión decisiva para que un grano pase o sea retenido por un

tamiz.

Ilustración 28 Ejes principales de una partícula ideal.

La representación gráfica de las fracciones acumuladas de porcentaje en peso pasante a un determinado tamaño (tamiz), correspondientes a las distintas dimensiones de granos que representan una muestra, constituye la distribución granulométrica (ver figura 29).

65


Ilustración 29 Ejemplo de curva granulométrica para un río de llanura y uno de montaña.

Uno de los diámetros más empleados es el diámetro medio o d50 de la granulometría. Además, es muy interesante definir definir en términos estadísticos la varianza de la distribución granulométrica porque es una medida de la uniformidad de tamaños de la mezcla. La varianza σ2 se puede definir como:

Donde %Pi es el porcentaje que pasa por cada tamiz di y dm es el diámetro que se corresponde con la media aritmética de los diámetros de la muestra. Los ríos de montaña están compuestos generalmente por una mezcla de tamaños desde finos a gruesos, y su desviación estándar es σ> 3 y se dice que la granulometría es extendida o que el material es bien graduado. Para los ríos de llanura en cambio, σ < 3 la

granulometría es uniforme o que el material es mal graduado (ver figura 2). Normalmente, los materiales granulares se subdividen según el diámetro de tamizado; mientras que los limos y arcillas según su diámetro de sedimentación. Una de las escalas mas empleadas para esta separación es la clasificación del American Geophysical Union (AGU) mostrada en la tabla 2. Tabla 2 Clasificación de materiales sedimentarios de la American Geophysical Union

66


En esta tabla también se presenta el diámetro del sedimento en función de la escala PHI o escala Φ. Para transformar las unidades de la escala de diámetros en mm a la escala en unidades PHI se emplean las siguientes relaciones:

Otras propiedades de los sedimentos tales como factor de forma, esfericidad, redondez, velocidad de caída, etc. se encuentran desarrolladas en algunas de las referencias bibliográficas citadas, de las cuales se destacan entre otros García Flores et al (1995) y Julien (1996). Las propiedades de la fase agua son bastante conocidas por lo que sólo serán aquí enumeradas: densid ad ρ, peso específico γ, viscosidad dinámica μ, viscosidad cinemática ν, etc. Respecto de las propiedades de la mezcla bifásica se destaca la concentración, la

cual equivale a la relación entre volumen de sólidos con volumen total de la mezcla. 5.1.

Umbral del movimiento: ábaco de shields

Un lecho granular sometido a la acción de una corriente de agua, observará que en algún momento una partícula es desplazada por la fuerza de arrastre del agua. Conocer en que condiciones ocurre este fenómeno, es el problema denominado Inicio o Umbral del Movimiento del fondo, el cual permite establecer el comienzo y la finalización del flujo bifásico agua-sedimento El estado del arte sobre este tema proviene fundamentalmente de estudios experimentales en laboratorios y con arenas uniformes, los que paralelamente han sido apoyados en teorías mecanicistas y análisis dimensionales, pero existe un cierto consenso en torno al resultado obtenido por el investigador Albert Shields en 1936, conocido como Diagrama de Shields. La acción del agua sobre el lecho puede caracterizarse por una tensión cortante sobre el fondo τo. La resistencia de la partícula a ser movida puede relacionarse con su peso sumergido, el cual es función del peso específico sumergido (γs -γ) y el diámetro D que

caracteriza el volumen de la partícula. Con estas tres variable puede formarse el parámetro adimensional τ * o tensión de corte adimensional:

67


Esta relación compara la fuerza que tiende a producir el movimiento (acción de arrastre proporcional a τo d2) con la fuerza que procura estab ilizarlo o mantenerlo en reposo (acción del peso proporcional a (γs -γ)d3). Del análisis del equilibrio de fuerzas en un tramo de canal recto de longitud diferencial, en régimen permanente se llega a la siguiente relación para definir la tensión tangencial sobre el fondo τo (ver apuntes de Hidráulica e Hidrología):

Donde RH es el radio hidráulico de la sección y S la pendiente longitudinal del tramo. En hidráulica fluvial, al igual que en canales, se suele asumir que el radio hidráulico se corresponde con el calado de la sección H (B>>H ):

Además, La acción del agua sobre el fondo puede representarse también por una velocidad característica denominada “velocidad de corte o de fricción “u*”. De los

conocimientos adquiridos en Mecánica de los Fluidos, esta velocidad se define a partir de la tensión de fondo a partir de la siguiente relación:

De esta forma, la tensión adimensional de fondo de la ecuación (5) se puede reescribir como:

Esta última expresión tiene la estructura de un número de Froude. Además, con la velocidad de corte es posible definir otro parámetro adimensional denominado número de Reynolds granular Re* o D* similar al numéro de Reynolds empleado por ejemplo para hidráulica de tuberías:

A partir de estas dos variables, τ* - Re* se define el conocido ábaco de Shields (Figura 2)

que define la tensión crítica para el umbral de movimiento de partículas uniformes en lechos aluviales. Por debajo de la curva existe reposo; mientras que los puntos por encima de la curva corresponden al movimiento desarrollado. En realidad, este diagrama

68


no es una relación determinística, sino que existe una zona o banda alrededor de la curva en la cual existe una alta probabilidad (40 a 50 %) de inicio de movimiento. A este valor del parámetro adimensional se lo denomina como tensión crítica adimensional“τc*”.

Ilustración 30 Diagrama de Shields para el inicio del movimiento

El número de Reynolds granular refleja la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas en el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. Al aumentar Re* el movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields tiende a ser asintótica horizontalmente (situación análoga al problema de fricción en tuberías del ábaco de Moody). Como en hidraúlica fluvial los flujos suelen ser turbulentos completamente desarrollados, los números de Reynolds granulares son elevados y la tensión crítica para el umbral de movimiento se establece en 0.56, aunque algunos autores dan una dispersión desde 0.03 a 0.06.

El ábaco de Shields es una herramienta semi-empírica que fue determinada para flujos permanentes sobre lechos de arena de tamaño uniforme. Por este motivo, en situaciones que no reflejen las condiciones originales no se puede aplicar directamente, o dicho de otro modo, su aplicación ofrecerá resultados poco fiables. Así, en lechos con pendiente o en los taludes de los cauces o canales de tierra no podemos emplear directamente dicho parámetro para evaluar la estabilidad del sedimento. Tampoco debe aplicarse a situaciones de flujo no permanente, como el que se produce durante las avenidas. Otra limitación de la teoría del diagrama de Shields es que dicha curva fue deducida mediante experimentos de laboratorio para materiales granulares finos y de granulometría uniforme. En la naturaleza y sobre todo en ríos de montaña, el lecho está constituido por una mezcla de materiales de distintos tamaños, cada uno de los cuales posee una tensión

69


crítica diferente. Por lo tanto, una misma corriente puede desplazar más fácilmente a los materiales finos que a los gruesos. Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículas más finas, de manera que un material originalmente bien graduado sometido a un régimen permanente, al cabo de un tiempo presentará una frecuencia mayor de gruesos en la superficie. A esta condición se la denomina como acorazamiento del lecho (Figura 31).

Ilustración 31 Acorazamiento del lecho

Este fenómeno influye en la rugosidad del cauce ya que la superficie del fondo presenta partículas de grano mayor. También influye en el inicio del movimiento del lecho ya que es necesario primero destruir la coraza para poder mover en material más fino que hay debajo. Existen estudios empíricos o semi-teóricos que analizan el inicio del movimiento de una mezcla y establecen que las partículas gruesas se ponen en movimiento para un esfuerzo de corte menor del que necesitaría si estuviera acompañada de partículas de su mismo tamaño. Inversamente, las partículas más finas necesitan un esfuerzo mayor para ponerlas en movimiento. Esto se puede razonar pensando que en lechos acorazados las partículas más gruesas están más expuestas a la potencia del flujo. De manera opuesta, las partículas más finas están protegidas o “ocultas” por las partículas más gruesas. De este modo, la tensión

crítica para el comienzo de movimiento del material fino es mayor que para una situación análoga donde el sedimento tiene una granolumetría uniforme. La posibilidad de acorazamiento de un lecho puede juzgarse por medio de la desviación granulométrica típica σ . En general, para valores de σ > 3 puede existir este fenómeno. 5.3.

Tipos de transporte de sedimentos

El transporte de sedimentos en un río puede clasificarse conforme a dos criterios: según el modo de transporte y según el origen del material. Según el modo de transporte, el

70


sedimento puede ser transportado en suspensión qssc sostenido en el seno del flujo por la turbulencia, o bien por el fondo rodando qsb, deslizando o saltando (en correspondencia con el tamaño del grano: de grueso a fino respectivamente).

Ilustración 32 Tipos de transporte de sedimento en un cauce fluvial. En la figura se representa el transporte de fondo (qsb) y transporte en suspensión (qss) que es la suma del transporte del transporte en suspesión de las partículas del fondo (qssc) y las provenientes de la cuenca hidrográfica o wash load (qsw)

Una partícula inicialmente en reposo puede ser transportada rodando o saltando cuando se supera el umbral del movimiento, pero si la corriente sigue creciendo, puede ser luego transportada en suspensión. Cuanto más intensa es la corriente mayor es le tamaño del material que puede ser puesto en suspensión y transportado de ese modo. Esta idea conduce a observar que el sedimento cuyo origen es el cauce puede ser transportado de ambos modos: en suspensión y por el fondo. Atendiendo al origen de los sedimentos, se puede hablar de sedimentos que tienen su origen en el cauce y sedimentos que tienen su origen en la cuenca hidrográfica del río. Este material es muy fino (limos y arcillas d < 0.0625 mm), y es transportado siempre en suspensión y se denomina carga de lavado de la cuenca qsw. La clasificación del transporte de sedimentos se resume en la Figura 32. El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de un río y dentro de éste la carga de lavado o foránea puede ser la más importante. La carga de lavado está relacionada a las características hidrológicas de la cuenca: tipo de suelos y cobertura, topografía, precipitaciones, etc. el material transportado en suspensión tiene gran repercusión en la desembocadura de un sistema fluvial: formación de deltas y colmatación de embalses. El transporte de fondo en cambio, tiene la mayor repercusión sobre el río mismo ya que causa sus modificaciones y es por ello el interés en la hidráulica fluvial. El transporte de fondo (material del cauce) está relacionado a las características del cauce: ancho, pendiente, granulometría, caudal, etc. La separación de transporte de fondo a suspensión no es abrupta en la naturaleza, es decir no existe un límite exacto, pero si se cuenta con criterios empíricos tales como el de Raudkivi (ver tabla 2) que permite tener una idea de este fenómeno en función de la

71


relación entre la velocidad de caída de las partículas ω con la velocidad característica

cerca del fondo o velocidad de fricción u*. Tabla 3 Criterio de Raudkivi para separación de modos de transporte de Sedimentos

72


CAPÍTULO 6. SOCAVACIÓN

La Asce1 en su publicación del manual número 43 definen la socavación como: la acción erosiva del agua de una corriente, que excava y transporta el suelo del lecho y de las márgenes. La socavación puede tener lugar tanto en suelos sueltos como en roca sólida.

A lo largo de muchas investigaciones de campo, modelos y publicaciones se ha llegado al conceso mundial, que la socavación es a menudo la causa por la cual un puente queda fuera de servicio, dando lugar al cierre de una carretera, a perdida de la vida útil de la estructura de paso, demoras en el tráfico y grandes pérdidas económicas en el comercio local, rural, y hasta nacional. Este es un fenómeno natural que ocurre fundamentalmente en las corrientes aluviales, pero no se puede limitar este fenómeno a dichas corrientes solamente, en virtud que el desplazamiento del lecho en el cauce y del terreno en las márgenes por procesos de socavación, es un fenómeno que puede ocurrir en cualquier tipo de rio cualesquiera que tengamos. Al momento de diseñar las cimentaciones de una estructura de paso, es necesario con obligatoriedad, establecer la estabilidad y permanecía de la sección transversal del cauce cuando es sometida a los procesos erosivos generados por la corriente que transporta el flujo y esta a su vez sedimentos y otros materiales, y más aún alrededor de pilas y estribos cuyos estructuras son de vital importancia en la estructura de paso, la estructura debe resistir las fuerzas de arrastre generadas durante eventos extraordinarios. La evaluación de la resistencia del material del lecho de fundación es fundamental para fijar la cota mínima a la que se debe implantar la cimentación. En este orden de ideas los ingenieros hidráulicos deberán de efectuar un estudio detallado de socavación, y plantear algunos conceptos, terminología y clasificaciones relacionadas con las variables que intervienen en el fenómeno. Todo con el fin de entender la mejor metodología que se propone para mitigar este fenómeno puntual sobre una estructura y evitar al máximo las siguientes causas que se enunciaran, que sean algunas de los detonantes para que la estructura de paso falle:   

Error en la estimación del caudal de diseño o escurrimientos de un caudal mayor que el proyectado. Reducción del área hidráulica del cauce principal del rio y falta de drenaje en la planicie de inundación. Error en la determinación de la socavación asociada al caudal de diseño o al caudal máximo esperado.

1

Asce: Americam Society of Civil Engineering

73


 

Localización errónea del camino y sus cruces con cuerpos de agua. Falta de observaciones del comportamiento del rio durante la vida útil del puente o estructura de paso.

La socavación comprende el levantamiento y transporte de los materiales del lecho del río en el momento de una avenida o creciente por un determinado tiempo, o por la construcción de una obra cualesquiera dentro del cauce. Es importante diferenciar la socavación de la erosión no recuperable en el sentido de que después de que pase la avenida o se elimine la causa de la socavación en procesos posteriores, comúnmente se vuelven a depositar sedimentos en un proceso cíclico, y se puede recuperar el nivel del fondo del cauce. La socavación está controlada por las características hidráulicas del cauce, las propiedades de los sedimentos del fondo y la forma y localización de los elementos que la inducen. La socavaciónse puede clasificar tal como lo muestra la figura 33.

Ilustración 33 Tipos de socavación que pueden suceder en un puente Fuente Tesis socavación en pilas y estribos. Edgar osornio.

Se puede decir que la socavación a corto plazo existe cuando una avenida provoca un aumento en la velocidad del agua, lo cual origina un desequilibrio entre la cantidad del material desprendido del fondo y el transportado por el cauce, por otro lado la socavación transversal se presenta en secciones transversales de los ríos donde tienen zonas de estrechamiento, que provocan el aumento de la velocidad y el arrastre del material, la socavación local es originada por obstáculos en la corriente del rio y genera hoyos en el fondo del cauce al pie de la estructura interpuesta a la corriente. El proceso de desarrollo total del fenómeno no necesariamente incluye todos los tipos de socavación de la figura 33 (flujograma), tampoco existe un orden cronológico del inicio de uno a otro tipo de socavación.

6.1.

Características del movimiento de las partículas de sedimentos

74


El conocimiento del movimiento de las partículas es vital en el estudio del fenómeno de socavación, ya que estas gobiernan la estabilidad del lecho. Las partículas de sedimentos están sometidas a diferentes fuerzas, en las que se tienen su peso propio, el peso del agua encima de ellas y la famosa fuerza cortante. Cuando se presenta un cambio en el caudal transportado por el cauce, es lógico que la velocidad media del cauce cambie, lo que puede obligar a las partículas al movimiento, ya sea en número o en tamaño. Es allí donde nace el termino de velocidad critica, que define como aquella capaz de mover partículas hasta un cierto tamaño. Esta velocidad tiene una profunda relación con el tipo de lecho del cauce, si el lecho está conformado por material no uniforme se presentara lo que se ha denominado acorazamiento. Si la velocidad en la sección transversal vuelve a aumentar, el proceso se repite y se remueve el lecho que estaba temporalmente acorazado, para formar un nuevo lecho que puede representar una condición crítica máxima, en el que la velocidad se define como la velocidad critica de acorazamiento. La resistencia que desarrollan las partículas, que conforman la sección transversal del cauce, al flujo y sedimentos es muy difícil de cuantificar, teniendo en cuenta que la sección transversal del lecho puede cambiar tanto como cambia el caudal transportado y que las partículas desprendidas pueden transportarse por suspensión aguas abajo del cauce, esta situación puede modificar las condiciones del flujo. El inicio del movimiento de una partícula por la acción de la corriente del cauce se produce cuando las fuerzas promotoras de su movimiento superan las fuerzas estabilizadoras (peso de la partícula). Es así como lo planteo el Sr. Shields en su diagrama, para partículas uniformes y un flujo unidimensional, que puede definir una función de arrastre (A) y establecer el umbral de movimiento de la siguiente manera:

     1.∗ ∗50  Dónde: A

= función de arrastre de la partícula, adimensional.

peso específico del sedimento y del agua, respectivamente. ϒ s, ϒ w=

.g = aceleración de la gravedad. d50= tamaño característico de la partícula de tamaño d, que corresponde al 50% del material en peso. Vc= velocidad de corte, que se expresa como:

    62.5∗  75


Siendo: y = profundidad de la lámina de agua en la sección k =rugosidad equivalente. = 2.5* d 50

De acuerdo con las consideraciones mencionadas y para flujos turbulentos completamente desarrollados, la velocidad crítica con la cual se inicia el movimiento se puede calcular con la siguiente expresión:

   0.05∗ 1 ∗50∗62.5 ∗ 

Fórmula válida para una configuración plana y horizontal del lecho del cauce. Cuando se tiene un cauce con pendiente o se quiere obtener la velocidad critica en las paredes laterales del lecho, se puede utilizar la siguiente expresión:

    ∗cos 1 0. 4 2∗tan Dónde:



= Angulo del talud o la pendiente longitudinal del cauce.

Entendiendo las características del movimiento de las partículas, definidas con anterioridad de manera general tenemos que: La socavación es un proceso extendió en el tiempo y a lo largo del cauce que se desarrollarla mediante el movimiento constante de las partículas que se albergan en su lecho, cuanto estas son excitadas por una velocidad critica, ya sea por crecientes o obstáculos en el cauce que generen este fenómeno.

6.2.

Tipos de socavación.

Como se mencionó anteriormente, la socavación se produce en un cauce de diferentes formas, en este numeral se mostraran los tipos de socavación más generalizados en la ingeniería. 6.2.1. Socavación General La socavación general se define como el descenso del fondo de un rio cuando se presenta una creciente debido al aumento de la capacidad de arrastre de material solido de la corriente, a consecuencia del aumento de la velocidad, donde la erosión juega un papel importante en la generación de la socavación. La erosión del fondo de un cauce definido, por el cual discurre una corriente, es una cuestión de equilibrio entre el aporte solido que pueda traer el agua a una cierta sección y

76


el material removido por el agua de dicha sección; durante la creciente se incrementan la velocidad del flujo, y por lo tanto la capacidad de arrastre. La relación que existe entre la velocidad media del flujo y la velocidad media requerida para arrastrar las partículas del fondo define la capacidad de arrastre de los materiales en una zona determinada. Es claro que la velocidad media de cauce se caracteriza por las condiciones hidráulicas del rio, entre las que se encuentan: pendiente, profundidad, rugosidad, geometría de la sección, entre otras. En tanto que la velocidad requerida para el arrate depende de las características del material de fondo y de la profundidad de la lámina de agua.

En la mecánica de suelos, se definen dos tipos de suelos; granulares y cohesivos, en hidráulica fluvial juegan un papel importante en la socavación, ya que estos rigen la velocidad de arrate del lecho de los cauces.

En el caso de suelos granulares, la velocidad de arrastre no es la velocidad con la que se inicia el movimiento de las partículas sino la que mantiene un movimiento generalizado de estas. Igualmente, la caracterización del material se hace usando el diámetro medio de las partículas. En los cohesivos se tiene que la velocidad de arrastre será aquella capaz de poner las partículas en suspensión, estos suelos se caracterizan por su peso específico seco, defino como la relación entre el peso de los sólidos de la muestra y el volumen original de la masa del suelo.

Se deberá tener en cuenta que la socavación general disminuye para una misma velocidad media, cuando el material de suelo es transportado en suspensión en gran cantidad de partículas finas, eso debido al aumento de peso específico y de la viscosidad de la mezcla agua – sedimento, lo cual reduce el grado de turbulencia, Para el cálculo de la socavación se han adoptado muchos criterios, teorías y ecuaciones que están divididas en su mayoría para aguas claras y para lecho móvil, en las que se tiene para la socavación general lametodología de Lischtvan – Lebediev, en la cual su ponen que el caudal y el ancho de la sección son permanentes durante todo el proceso de erosivo y toman algunos datos como:   

Caudal máximo y profundidad de la corriente correspondiente a la creciente de diseño. Perfil topográfico de las secciones características del cauce, en la zona de interés. Características del material de fondo, granulometría del lecho.

Lischtvan – Lebediev, tienen una condición de partida que consiste en tomar un caudal máximo unitario constante durante todo el proceso erosivo, para cada una de las franjas definidas en la sección transversal. En las orillas, el caudal unitario es cero y por lo tanto

77


no se presenta erosión, impidiendo la posibilidad de un movimiento lateral del cauce, en general, si se exceptúan las curvas, esta condición se cumple. Por ejemplo, en un puente los estribos impiden cualquier avance lateral.

Pero esta metodología tiene algunas limitantes en sus condiciones de frontera, suponer un caudal constante puede traer un inconveniente cuando en el fondo del cauce exista un material más resistente a la erosión que el resto de la sección, en la zona más débil se presenta un descenso más rápido del fondo, aumentando el caudal unitario en esta zona, y habrá una mayor profundidad de socavación. Así que se deberán tener que considerar las propiedades geotécnicas del material, donde el tiempo es un factor determinante en el proceso erosivo y este no es tomado en cuenta. En un material cohesivo se requiere un tiempo mayor que la duración de la creciente, para que se desarrolló todo el proceso erosivo, pudiendo resultar sobre estimados los valores de socavación. La aplicación del método Lischtvan – Lebediev, y adaptado por Maza entraña la clasificación de los cauces de acuerdo con los siguientes criterios mostrados en la tabla 11. Tabla 4 Clasificación para la socavación general

Tipo de cauce Material de fondo Distribución de materiales en el fondo Homogéneo Cohesivo Heterogéneo Definido Homogéneo No cohesivo Heterogéneo Homogéneo No definido Cohesivo Heterogéneo Homogéneo No cohesivo Heterogéneo Fuente: Esquema Tipos de socavación, Pág. 238 Fundamentos de hidráulica fluvial. Rodríguez días.

A continuación se mostraran las generalidades en cuanto a teoría y ecuaciones de la clasificación para la socavación general. 6.2.2. Socavación general en cauces definidos Suelos cohesivos homogéneos Con lo anteriormente descrito, el problema de la socavación general radico en determinar el descenso del fondo del cauce asociado a un caudal de diseño correspondiente a un periodo de retorno y la elevación que alcanza la superficie del flujo para estas condiciones. Al presentarse una avenida aumenta la velocidad en el cauce lo que trae consigo un aumento de la capacidad de arrastre de la corriente, con lo que se empieza a degradar el fondo, al aumentar el caudal también aumenta la socavación, incrementándose el área hidráulica y al disminuir la avenida se reduce el valor medio de la velocidad de la corriente

78


y por ende la capacidad de arrastre, iniciándose la etapa de depósito de material denominada sedimentación. La condición para que haya arrastre en las partículas en un punto del fondo es que la velocidad media de la corriente sobre ese punto, denominado velocidad real, sea más grande que la velocidad media que se quiere para que el material existente en tal punto sea arrastrado, denominada velocidad erosiva. Como se habla de suelos cohesivos será aquella velocidad capaz de levantar y poner en suspensión a las partículas, entonces la velocidad erosiva puede calcularse de la siguiente manera:

=.∗. Dónde: Ve = velocidad media de erosión del fondo (m/s) gd = peso específico seco que se encuentra a la profundidad H s (Ton/m3) β = coeficiente que depende del periodo de retorno (Tr) de la creciente de diseño β = 0.0973* log (Tr +0.79)

Tr = Periodo de retorno en años Hs = profundidad de la lámina de agua, medida desde la superficie del agua hasta el fondo erosionado (m) X = exponente variable en función de Y d(peso específico de la partícula de suelo) :

  0.1363∗  0.58∗  0.893 Ψ = depende del peso específico de la mezcla agua - materiales en suspensión

 =

  1.51∗  0.54

Peso específico de la mezcla agua – materiales en suspensión (Ton/m 3)

El cálculo de la variación de la velocidad media real de la corriente, para cada punto en una sección transversal, se hace en función de la profundidad del flujo, suponiendo que el caudal unitario (ΔQ) de una franja vertical de ancho ΔB, para la sección en estudio, donde

permanece constante mientras dura el proceso erosivo. A continuación se muestra en la figura 34.Socavación general en cauces definidos.

79


Ilustración 34 Socavación general en cauces definidos

Si al iniciarse el proceso erosivo la profundidad del flujo en una franja es H 0, el caudal unitario expresado en función de la ecuación de Manning será:

∆Q  V∗∆A  1n ∗S ∗ H/ ∗ ∆B

Dónde:

S = pendiente de la línea de energía Ho = profundidad inicial del flujo en la franja (m). 1/2

Si α = 1/n*s se considera constante, entonces:

∆Q ∝∗H/ ∗ ∆B El valor de α puede expresarse en función de la profundidad media del flujo de toda la

sección transversal antes de la erosión (H m), y del caudal de diseño (Q d), porque:

Dónde:

Q  1n ∗s/ ∗ H/ ∗ Bc

Be = ancho efectivo de la sección, en la superficie libre correspondiente al Q d. En el caso de obstrucciones, como pilas y estribos de puentes, es necesario descontar la proyección de estos sobre un plano a la dirección de la corriente Hm = profundidad media del flujo, que se obtiene dividiendo el área hidráulica entre el ancho de la sección en la superficie libre. Cuando la sección que se está analizando corresponde al cruce de un puente, la corriente de agua forma vórtices cerca de las pilas y los estribos de este, haciéndose necesario

80


efectuar el valor de Q dpor un coeficiente de contracción µ, los cuales se mostraran en la tabla 12, con el cual, el caudal de diseño para una sección cualquiera será:

Qd=μ∗/∗e=∝μ/m e y el factor α queda expresad o de la siguiente manera:

∝  ∗/ 

Cuando se inicia el proceso de socavación (H 0) se incrementa y alcanza un valor cualquiera (Hs) al tiempo que disminuye la velocidad a un valor v r , el caudal es una franja es:

∆  ∆

Que al ser igualada con el caudal expresado en función de las condiciones iníciales, permite obtener el valor de v r

/    ∝ 

Esta expresión es válida tanto para cauces definidos como indefinidos. La erosión se tendrá cuando a una profundidad cualquiera alcanzada, el valor de v r , velocidad de la corriente capaz de producir arrastre, y v e, velocidad que se necesita para que el fondo se degrade, sean iguales. Al igualar estos dos expresiones y despejar H s, se obtiene la profundidad máxima de la lámina de agua que se presenta durante el proceso de erosión.

 / +   0.6∗∝ . La socavación esperada se obtiene al restarle a H S el valor de Ho, que corresponde a la profundidad de la lámina de agua en las condiciones iníciales. Tabla 5 Coeficiente de contracción µ en pilas de puentes

velocidad media en la sección (m/s) < 1.0 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Longitud libre entre dos pilas (m) 10 13 16 18 21 25

30

42

52

63

106

124

200

1.00 0.96 0.94 0.93 0.90 0.89 0.87

1.00 0.99 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96

1.00 0.99 0.99 0.98 0.98 0.97 0.97

1.00 0.99 0.99 0.99 0.98 0.99 0.98

1.00 0.99 0.99 0.99 0.99 0.98 0.98

1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99

1.00 1.00 1.00 0.99 0.99 0.99 0.99

1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 0.99

1.00 0.97 0.96 0.94 0.93 0.91 0.90

1.00 0.98 0.97 0.95 0.94 0.93 0.92

1.00 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93

1.00 0.99 0.97 0.97 0.96 0.95 0.94

1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.96 0.95

81


> 4.0

0.85 0.89 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 0.99 0.99 Fuente:Cuadro 2.1. Fundamentos de hidráulica fluvial. Rodríguez días

Suelos no cohesivos homogéneos En los suelos no cohesivos homogéneos, con rugosidad “uniforme”, se utiliza la siguiente

ecuación para el cálculo de la velocidad erosiva:

  0.68∗.

Dónde:

Ve = velocidad media de erosión del fondo Dm = diámetro medio de las partículas del material granular (mm) β

= coeficiente que depende del periodo de retorno de la creciente de diseño.

Hs = profundidad de la lámina de agua medida desde la superficie del agua para el caudal de diseño hasta el fondo erosionado (m9 Z = exponente variable, función del diámetro medio de las partículas del material granular.

  0.0089∗ 0.041∗  0.395   0.010∑ Dónde: di = diámetro medio de una fracción en la curva granulométrica de la muestra analizada. (mm) pi = peso representado en porcentaje, es decir, el peso de la fracción con respecto al peso total de la muestra (porcentaje retenido) Al aplicar la condición de equilibrio del fenómeno, donde tenemos que la velocidad de arrastre es igual a la velocidad de erosión y despejando la profundidad de la lámina de agua medida desde la superficie del agua para el caudal de diseño hasta el fondo erosionado, se tiene:

 / + ∝ .   0.68∗  De donde se puede obtener la profundidad de socavación.

82


Suelos no homogéneos Cuando en una sección transversal se presentan diferentes estratos tanto cohesivos como no cohesivos, se emplean las mismas ecuaciones anteriormente enunciadas, para el cálculo de H s en cada punto, pero se requiere efectuar un proceso de aproximaciones sucesivas. Conociendo el perfil estratigráfico de la sección en estudio y para un punto dado de esta, se calcula el valor de H s suponiendo que le proceso de socavación se desarrolla en el primer estrato. Si el valor obtenido se encuentra dentro del espesor de este primer estrato, significa que la socavación se desarrolla en dicha zona y esta será el valor Hs. En caso contrario, se requiere calcular un nuevo valor de H s con las características del siguiente estrato y así sucesivamente, hasta calcular o encontrar el estrato que el ingeniero diseñador crea que es competente para la cimentación sin producir socavación. 6.2.3. Socavación general en cauces no definidos. Suelos homogéneos cohesivos y no cohesivos Cuando un rio carece de un cauce bien definido, se tienen en el cauce corrientes pequeñas que se entrecruzan, cambiando de posición con relativa facilidad, y la actividad de erosión es más reducida. En este caso, la condición de equilibrio se establece entre la velocidad media de la corriente y una velocidad media no erosionable que dependerá directamente de la naturaleza del material del fondo y de la profundidad de la corriente.

´  ∗ . Dónde: Vne = velocidad máxima no erosionable cuando una profundidad del flujo es de 1.0 m. en las tablas13 y 14, se muestran algunos valores para los suelos cohesivos y no cohesivos, respectivamente. Con excepción de este nuevo parámetro, se emplean las mismas expresiones para el cálculo de la socavación general, que anteriormente se expusieron en cauces definidos, en este caso se tiene:

/ . ∝       

83


Tabla 6 Valores de Vne para suelos cohesivos, m/s: H = 1 m

≤  ≤ . . ≤  ≤ . . ≤  ≤ .

Tipo de suelo

1.20 Ton/m3

Ton/m3

Ton/m3

Arcillas francas

0.85

1.20

1.70

Suelos arcillosos y limos 0.80 plásticos Arcillas margosas 0.70

1.20

1.70

1.00

1.30

Fuente: Cuadro 2.2. Fundamentos de hidráulica fluvial. Rodríguez días

Tabla 7 Valores de Vne para suelos no cohesivos, m/s: H = 1 m

Tipo de suelo Limos no plásticos Arena fina Arena media Arena gruesa Grava fina y media Grava gruesa Fragmentos pequeños Fragmentos medios

Dm 0.005 – 0.05 0.05 – 0.25 0.25 – 1.0 1.0 – 5.0 5.0 – 25.0 25.0 – 75.0 75.0 – 200 200.0 – 400.0

Vne (m/s) 0.20 – 0.30 0.30 – 0.45 0.45 – 0.60 0.60 – 0.85 0.85 – 1.45 1.45 – 2.40 2.40 – 3.80 3.80- 4.75

Fuente: Cuadro 2.3. Fundamentos de hidráulica fluvial. Rodríguez días

Para un suelo heterogéneo y un subsuelo geológicamente estratificado, la profundidad de la erosión se puede calcular usando la misma metodología empleando el cálculo de la socavación general en cauces definidos para suelos heterogéneos, teniendo en cuenta que deberá utilizar la velocidad media no erosionable que debe ser igual en la condición de equilibrio con la velocidad media de la corriente. 6.2.4. Socavación transversal La socavación transversal, o también conocida como erosión en estrechamiento, es el fenómeno del descenso del fondo del cauce de un rio en aquellas secciones donde se reduce el ancho, debido a la mayor velocidad de la corriente en dicha zona, cuando se construyen obras dentro del cauce de un rio, como por ejemplo accesos de puentes o un número excesivo de pilas, o también debido a un afloramiento rocoso. El aumento de la velocidad permite más capacidad de transporte, lo que indica y origina un mayor arrastre del material que se encuentra en el fondo en la sección del cruce, eso se hará hasta que el cauce encuentre las condiciones de equilibrio. Lo más común que sucede es que se ensanche hacia sus externos.

Los criterios expuestos en el análisis de la socavación general, pueden aplicarse para determinar la magnitud de la erosión transversal, de igual manera el método de Straub se puede emplear para calcular, de una manera práctica, cuanto desciende el fondo de un

84


cauce, cuando por construcción de una obra se ha disminuido su sección hidráulica (Erosión Transversal), en este método, se supone que para la sección de estudio (sección reducida) y una sección aguas arriba, la cual esta inalterada, donde se cumple el principio de conservación de la masa. Igualmente se supone que la rugosidad a lo largo del tramo es la misma y que el arrate de fondo es igual cuando la sección reducida se estabiliza.

La expresión para el cálculo de Straubes:

Dónde:

.    ∗ ( )

Ht = profundidad de la lámina del agua en la sección reducida (m) Ho = profundidad de la lámina del agua en la sección aguas arriba “inalterada” (m)

Bt y Bo =Ancho de la superficie libre en las mismas secciones (m)

6.2.5. Socavación en una curva.

La socavación en una curva sucede cuando el cauce de un rio casi siempre sufre de altercaciones debido a muchos factores, una de ellos corresponde a la acción erosiva que se presenta en el extradós de una curva, o comúnmente llamado efecto de fuerza centrífuga, donde al disminuir la velocidad en una zona aumenta el depósito de materiales, y en especial cuando el flujo no es permanente, la acción erosiva y la capacidad de transporte varían todo el tiempo.

En el caso de que un puente o una estructura de paso quede localizado sobre la curva de un rio, y esta sea estable, la profundidad máxima al paso de una creciente dependerá de las condiciones iníciales del perfil de la sección y su cálculo se hará suponiendo que se tiene una socavación general o una socavación transversal.

Cuando por cualquier razón el cruce de un puente quede localizado sobre una curva (Lo cual no es muy frecuente) de un rio y esta no sea estable, es necesario evaluar las nuevas profundidades que se tendrán en el cruce, con el fin de conocer el nuevo perfil, que con este se calculara la erosión máxima al paso de una creciente. Cabe resaltar que cuando hay una curva las mayores profundidades se tienen junto al pie de la margen protegida. La máxima profundidad varía a lo largo de la curva, presentándose del centro hacia aguas abajo de esta.

85


Para el cálculo de la erosión en una curva se permite usar el criterio de Altunin, tomando en cuenta que este método determina la profundidad máxima que se produce en la curva en función de la profundidad media del tramo recto. Solo se aplica si la sección transversal de la curva no es reducida en el cruce, tanto en el cauce principal como en el de avenida.

La fórmula de Altunin es.

 ∈∗ Dónde: Hmax= máxima profundidad que se presenta en un punto cualquiera de la curva (m) εi=coeficiente que depende de la relación B/r. el subíndice depende si se trata de

socavación en aguas medias (i = 0 o de aguas máximas (i = 2). B

= ancho de la superficie libre del rio en el tramo recto

r

= radio de la curva medida al centro del cauce

Hrec = profundidad media de la lámina de agua en el tramo recto Tabla 8 Coeficientes de εi para el cálculo de la socavación en curvas

B/r ε1 ε2

1.00 3.00 -

0.7 2.69 -

0.50 1.60 3.0

0.33 1.43 2.57

0.25 1.33 2.20

0.20 1.27 1.84

0.16 1.24 1.48

0.00 1.00 1.27

Fuente:Cuadro 2.4. Fundamentos de hidráulica fluvial. Rodríguez días

6.2.6. Socavación local. La socavación local está ligada íntimamente a la presencia de pilas, estribos u obstrucciones en las estructuras de paso, las cuales crean un escenario que induce a la socavación local. A continuación se mencionara la socavación en pilas de puentes. 6.2.7. Socavación al pie de pilas de puentes. Uno de los problemas que, genera la socavación local, es la existencia de una pila en medio de un cauce. La existencia de la pila como obstáculo al flujo provoca fenómenos de sistemas de vórtices a su alrededor, los cuales son responsables de la socavación local, Shen (1996). Dependiendo del tipo de la pila y de las condiciones del flujo de llegada Jensen (1972), los vórtices pueden ser de los siguientes tipos: vórtices de herradura, vórtices de estela y vórtice de surco. Los sistemas de vórtices afectan la componente vertical de la velocidad en las cercanías de la pila. Precisamente debido a la frecuencia de

86


estos fenómenos con que los ingenieros deben en fretarse al problema de la socavación local, numerosos investigadores han trabajado en el desarrollo de metodologías que permitan determinar con alguna confiabilidad los parámetros para el diseño de estructuras afectadas por corrientes de agua. Definiendo los tipos de vértices que anteriormente se mencionaron: tenemos que el vórtice de herradura se concentra por la presencia de la pila, ya que esta induce un cierto campo de presiones, cuando este campo es lo suficiente fuerte y provoca la separación de las capas limites, las cuales se enrollan delante de la pila para formar el sistema de herradura. Estos vórtices son muy comunes en pilas de nariz obtusa, donde este provoca un gradiente de presiones suficientemente grande para iniciar el proceso, en la figura 35 se puede apreciar un esquema de vórtice de herradura

. Ilustración 35 40Esquema del vórtice de herradura

Fuente:Figura1.6.TesissocavaciónenpilasdelpuentecuateII.EdgarOsornio

El vórtice de estela es producido por la presencia misma de la pila, y se forma al enrollarse las capas limites inestables generadas en la superficie de la pila. La intensidad de este tipo de vórtices depende de la forma de la pila y de la velocidad de llegada, una pila de forma aerodinámica creara una estela relativamente débil, pero una pila obtusa producirá una muy fuerte. Este tipo de vórtice provoca socavación local aguas abajo de la pila.

El vórtice de surco ocurre solamente en pilas completamente sumergidas y es similar al que ocurre en los extremos de las superficies de las alas de un avión, Melville (1988) observo que la magnitud de la circulación del vórtice de herradura disminuye con la profundidad del agua, por lo que el ritmo de erosión decrece cuando el área socavada alcanza ciertas dimensiones, hasta alcanzar el estado de equilibrio. Este estado presenta la condición para la cual la profundidad de socavación enfrente de la pila es suficiente para que el flujo aguas abajo ya no pueda levantar o remover más material del lecho.

87


Ilustración 36 Esquema del vórtice de estela Fuente:Figura1.6.TesissocavaciónenpilasdelpuentecuateII. EdgarOsornio

Una vez mencionado de manera general los tipos de vórtices más comunes que se producen en las pilas de las estructuras de paso, se debe mencionar que el cálculo de la socavación local al pie de pilas o estribos, como parte del análisis de estabilidad de las estructuras, exige conocerlas características del cauce y del flujo, con el fin de aplicar la mejor metodología de cálculo más adecuada. Los métodos de cálculo de socavación local no indican en cual condición se basan sus formulaciones, por lo general se toma un valor medio entre el mínimo y el máximo (Héctor Rodríguez 2010). Mediante la ecuación de Manning y el criterio de Shields para transporte límite de partículas, se puede estimar la velocidad crítica media del flujo, la cual permite definir el tipo de socavación que ocurre, si se compara con la velocidad media real de la corriente correspondiente al caudal de la creciente.

  1 ∗  ∗ 0.06∗−./

Donde sus variables están dadas por:

vcri= velocidad critica media de la corriente a partir de la cual hay movimiento de partículas (m/s) n = coeficiente de rugosidad de Manning. R = radio hidráulico Γs = peso específico del material del lecho (Ton/m)

dm = diámetro medio de las partículas del lecho (m) Si la velocidad crítica es mayor que la velocidad de la corriente se presentara socavación por agua clara. Si la velocidad critica es menor que la velocidad de la corriente se presentara socavación con transporte continuo de sedimentos o también llamado lecho móvil.

88


Las investigaciones y el conceso mundial han arrojado múltiples expresiones de cálculo, que a continuación se presentaran, se resalta que no se mostraran todas, solamente algunas ecuaciones, ya que en la actualidad hay más de 70 métodos, para el cálculo de la socavación. Las ecuaciones que se mostraran estarán ordenadas por grupos de ecuaciones 

Ecuaciones del grupo I

Las ecuaciones de grupo I, son conocidas por la expresión general que se muestra a continuación.

Dónde:

   ∗( )   ds= máxima profundidad de socavación de equilibrio medida desde el nivel del lecho (m) b = ancho de la pila normal a la corriente no perturbada (m) Yo = profundidad media del flujo aguas arriba de la pila (m)

En este grupo, las ecuaciones más representativas se resaltan las metodologías de Breussers, Larras, Laursen I. Ecuación de Breussers: se basa en la relación geométrica, que proporciona una profundidad de socavación constante para cualquier pila dada, independientemente de la magnitud de la creciente o del material que conforma el lecho.

  1.4 ∗ Ecuación de Larras: el autor propone una ecuación teórica práctica, deducida a partir de mediciones llevadas a cabo en varios puentes, después de haberse producido la avenida. Larras se concentró en la máxima profundidad de socavación para condiciones próximas a la velocidad crítica del movimiento de sedimentos.

 ∗1.05∗ ∗. Dónde: ds = profundidad de socavación medida a partir del fondo de cauce (m) K = factor de corrección combinado de Larras. K =K xKy. Kx=factor de corrección por la forma de la pila Ky=factor de corrección por el Angulo de ataque de la corriente.

89


b =ancho del pilar Los factores de corrección mencionados anteriormente se exponen en las tablas 16 y 17, En forma aproximada K = 1.0 para pilares cilíndricos y K= 1.4 para pilares rectangulares. Este método tiene una clasificación general de las formas usuales de los pilares, los cuales se pueden observar en la figura 37

Ilustración 37 . Formas usuales de pilares. M étodo de Larras Fuente: Higuera C. y Pérez G., 1989 y Melville B. W., 1989

90


Tabla 9 Factor de corrección Kxpor forma del pilar

Fuente:HigueraC.yPérezG.,1989yMelvilleB.W.,1988 Tabla 11 Factor de corrección Ky por Angulo de ataque del

Fuente:Manualdedrenaje,Ministeriodetransportesycomunicaciones.

Ecuación de Laursen I: este método es planteado en base en el principio para pilas rectangulares enfrentadas al flujo y considerando transporte de sedimentos. Para pilas de nariz redondeada, el

91


coeficiente 1.5 de la ecuación debe utilizarse por 1.2; para pilas no paralelas al flujo, siempre se toma 1.5 como coeficiente.

 ∗1.5 ∗..

Donde sus coeficientes poseen la misma denominación, mencionada en el método de las Larras. 

Ecuaciones del grupo II

La expresión general adimensional de este grupo de ecuaciones está gobernada por la siguiente ecuación:

   ∗ ∗ ( )  

Dónde:

Na = numero adimensional de la pila, que puede ser el Numero de Froude o el número de Reynolds b

= ancho de la pila normal a la corriente no perturbada

Yo = profundidad media del flujo aguas arriba de la pila T, B, s = coeficientes Dentro de las ecuaciones del grupo II, sobresalen las ecuaciones de Shen I, Shen II-1, Shen II -2 y Coleman. A continuación se muestran las ecuaciones. Ecuación de Shen I

Ecuación de Shen II-1

Ecuación de Shen II-2

  0.00073∗.   11.0 ∗   3.4 ∗.

Ecuación de Coleman: Esta ecuación se basa en tener condiciones de suministro continuo de sedimentos.

  0.60∗  . √ 2´   92


`  1.054∗. ∗ .

Dónde:

Re = Na = número de Reynolds de la pila = (Vob)/n b = ancho de la pila n = viscosidad cinemática del agua (m 2/s) ds = profundidad de equilibrio de socavación medida desde la cota media del lecho Vo = velocidad media del flujo aguas arriba. Frp= número de Froude de la pila g

= aceleración de la gravedad

d`s = profundidad de socavación debajo del nivel del lecho en la parte aguas arriba. Las ecuaciones Shen II 1 y 2, son válidas para el caso límite de socavación por agua clara, donde se suponen las condiciones de movimiento incipiente en el tramo aguas arriba del puente. 

Ecuaciones del grupo III

Las ecuaciones del grupo III, fueron obtenidas en su gran mayoría en canales de irrigación en zonas de la India, están permiten calcular la profundidad total de socavación, medida desde la superficie libre del agua.

La forma general adimensional de estas ecuaciones se rige bajo el modelo que a continuación se muestra:

   ∗ ∗ ( ) 1  

Las ecuaciones que se desprenden de este grupo son los modelos expuestos por Inglis – Pooma, Blench, Ahmad, y Arunachalam, a continuación se mostraran de manera general su formulación.

Ecuación de Arunachalam: realizó una modificación de la ecuación de Englis – Poona (1948) y propuso la siguiente expresión, (Breusers, H. N. C., Nicollet, G. y Shen, H. W., 1977):

/ −/ 1. 3 34∗ /   1.334∗ ∗ ⌈1.95∗   1⌉ 93


Dónde: ys = profundidad de socavación q = caudal unitario aguas arriba del puente a = ancho del pilar Ecuación de Inglis – Pooma: este modelo de cálculo se basó en los resultados del puente Hardingue. No se hace distinción entre la socavación por agua clara o con movimiento continuo de sedimentos, lo cual implica una gran incertidumbre en la calidad de sus resultados.

  2.32/ .

Ecuación de Blench: esta fue deducida con base en la ecuación al modelo de Inglis – Pooma

  1.8  / 



Ecuación de Ahmad: este modelo fue deducido para puentes que atraviesan ríos de aluviones sobre rellenos profundos de arena en Pakistán.

   ∗/

Donde los coeficientes para las anteriores ecuaciones son: Ds = profundidad de socavación medida sobre la superficie del agua q = Q/b1 = caudal unitario aguas arriba del puente b1 = ancho medio de la sección aguas arriba del puente b = ancho de la pila Yr = 1.48*(q 2/Fb1/3) = profundidad de régimen de flujo Fb = 1.9*dm1/2 dm = diámetro medio de las partículas del lecho K =factor de corrección por la forma de la pila (1.9 y 3.4)

94


Para el método de Arunachalam se tienen un factor de corrección por la forma de la nariz de la pila y el factor del ángulo de ataque de la corriente, donde el valor calculado de profundidad de socavación debe ser corregido, en la tabla18 se muestran estos factores. Tabla 10 Factor

de corrección por la forma de la nariz de la Pila (Ks)

Forma de la Relación nariz de la largo - ancho pila

Ks

Ks

Ks

Chatou

Laurse

Tison

Circular

0.97

1.0

1.0

Oblonga

1.0

1.0

1.0

Circular doble

0.92

Elíptica

Lenticular

2:1

0.91

3:1

0.83

2:1

0.91

3:1

0.76

4:1

0.71

Ks Escande 1.0

0.67

7:1

0.41

Rectangular biselada

1.01

rectangular

1.30

1.4

1.25

Fuente:Cuadro2.7.FundamentoyaplicacionesdeSocavación.Rodríguez2011



Ecuaciones del grupo IV

Son ecuaciones en las cuales no se especifica si la socavación es por agua clara o con transporte continuo de sedimentos. La forma general que gobierna la ecuación es la siguiente:

    1.8 . 0

0

Las ecuaciones más comunes que forman este grupo son los modelos de Bata y Yaroslavtziev, a continuación se mostraran los modelos matemáticos. Ecuación de Bata: esta ecuación es obtenida a partir de las técnicas del análisis dimensional. Se observa que el número de Froude de la corriente aguas arriba es mucho más significativo que el diámetro de las partículas.

95


  10  3 . 0

0

Ecuación Yaroslavtziev:este método propuesto por Yaroslavtziev, fue obtenido de manera práctica, con pruebas de campo, donde por medio de la observación directa en los puentes de la antigua unión soviética (URSS). Los parámetros principales utilizados para el desarrollo de la ecuación fueron la velocidad de la corriente, el tamaño de las partículas del fondo del cauce, la geometría de la pila y el ángulo de ataque de la corriente contra la pila. Comparando las anteriores metodologías y ecuaciones que se han expuesto hasta el momento, este método posee una diferenciación entre el material del suelo, teniendo materiales cohesivos y no cohesivos. Para tener en cuenta el tipo de material Yaroslavtziev, elaboro una tabla para los diámetros equivalentes para estos tipos de suelos.

    ∗+ ∗  30 / )  −.  ∗(    10  /    .028∗1 ℎ  10.−.∗[]

Tabla 11 Diámetros equivalentes d85 para suelos cohesivos. Método de Yaroslavtziev

Características de Peso volumétrico los suelos del material seco (ton/m3) Poco 1.2 compactados Medianamente compactados 1.2 – 1.6 Compactos 1.6 – 2.0 Muy compactos 2.0 – 2.5

d85 equival. (cm)

d85 equival. (cm)

d85 equival. (cm)

CH

MH

CL-ML

1.0

0.5

0.5

4.0 8.0 10.0

2.0 8.0 10.0

2.0 3.0 6.0

Fuente:Cuadro2.8.FundamentoyaplicacionesdeSocavación.Rodríguez2011

Los coeficientes de las ecuaciones del grupo IV corresponden a los siguientes parámetros donde se tienen: ds = profundidad de socavación local medida desde el fondo natural del cauce Yo = profundidad del flujo aguas arriba

96


Fr = número de Froude Vo - v = velocidad media del flujo aguas arriba del puente e = coeficiente de corrección que depende de la ubicación de la pila dentro del cauce.  

e = 0.6: si la pila se encuentra en el cauce principal e = 1: si la pila se encuentra dentro del cauce de la creciente

d85 = valor del tamiz por el que pasa el 85% de las partículas de material kf = coeficiente que depende de la forma de la pila y del ángulo de ataque de la corriente kv = coeficiente, en función del número de Froude de la pila. b1 = proyección en un plano perpendicular a la corriente kh = coeficiente que depende de la relación H S/b1 HS =profundidad de la lámina de agua, medida después de ocurrida la socavación general La metodología de Yaroslavtziev, advierte que cuando la relación H S/b1< 2 y la pila no está alineada respecto a la corriente, el método puede inducir a errores considerables por defecto. Así mismo, cuando d 85 < 0.5 cm, recomienda no usar el segundo término de la formula.A continuación se muestran las gráficas para los valores de k f yb1, según la metodología de Yaroslavtziev,

Ilustración 38 Tipo de pilas, según la geometría metodología de Yaroslavtziev Fuente.Figura1.27,TesisdesocavaciónEdgarosornio.

97


Ilustración 39 . Tipo de pilas, según la geometría metodología y Angulo de ataque Fuente.Figura1.28,TesisdesocavaciónEdgarosornio

Ilustración 40 Tipo de pilas, según la geometría metodología y Angulo de ataque Fuente.Figura1.29,TesisdesocavaciónEdgarosornio.

98


Dentro de las metodologías complementarias para el cálculo de la socavación, se tienen algunos métodos que no encajan en las formulaciones de los tipos de ecuaciones anteriormente expuestas, entre estas nuevas formulaciones o metodologías de cálculode socavación se tienen los métodos de Laursen y Toch, Método de Maza y Sánchez, Colorado StateUniversity (CSU), método de Hec - 18 y la ecuación de Froehlich. A continuación se mencionaran algunos de estas metodologías. Método de Laursen y Toch (1956) Este método fue desarrollado en el Instituto de Investigación Hidráulica de Iowa y fue confirmado con algunas mediciones en el río Skunk realizadas por P. G. Hubbard, del mismo laboratorio, en la década de los cincuenta. El método fue desarrolló bajo condiciones de transporte continuo de sedimentos, (Juárez Badillo E. y Rico Rodríguez A., 1992). El método es aplicable para suelos arenosos, no está claro si se puede aplicar para gravas. Laursen y Toch realizaron sus investigaciones observando la máxima socavación que se puede presentar para un tirante específico dado por la corriente. Los antecedentes del método cuentan que los investigadores observaron que la máxima profundidad de socavación era independiente de la velocidad del flujo pues la socavación no progresaba al mantener fijo el tirante y aumentar considerablemente la velocidad de la corriente. Este argumento resulta al suponer que un cambio en la velocidad del flujo y en el tamaño de los sedimentos produce un cambio proporcional en el cortante límite, y en la capacidad de transporte de sedimentos desde el hueco y hasta el hueco de socavación, considerando constantes la profundidad del flujo y la profundidad de socavación. Su mayor interés era la socavación máxima y no dan ningún criterio para el caso de que no exista arrastre en el fondo (Osornio Alegre, 2008) El método se basa bajo las siguientes variables:     

Tirante o profundidad del flujo aguas arriba del pilar (yn), El ancho del pilar (b), El ángulo de incidencia ( α),y La forma del pilar. Relación entre la profundidad de flujo y el ancho del pilar: yn / b

Ecuación general Cuando el ángulo de incidencia a es igual a cero: Ys =K Ks b Dónde: Ys: Profundidad de equilibrio de socavación medida desde el nivel inicial del lecho, (m), Ks: Coeficiente que depende de la forma del pilar Los valores de K y Ks se mostraran en las figuras 41 y tabla 12

99


Ilustración 41 Curva básica de diseño para el cálculo de la profundidad de socavación Fuente:Grafica2.1,capítulo2.Métodosparaelcálculodelaerosiónlocalenpilares

Tabla 12 Coeficiente de corrección de forma de la pila Ks

Fuente:Tabla2.1,capítulo2.Métodosparaelcálculodelaerosiónlocalenpilares

Cuando la corriente incide oblicuamente formando un cierto ángulo α con el eje de la pila, se tiene: Ys =K K α b Donde el Kα, será elcoeficiente que depende del ángulo α y la relación L/b, siendo L y b las dimensiones mayor y menor del pilar, respectivamente, a continuación se muestra en la figura 42, los coeficientes de correlación para los pilares

100


Ilustración 42 Coeficiente de correlación para los pilares no alineados con el flujo

Fuente:Grafica2.2,capítulo2.Métodosparaelcálculodelaerosiónlocalenpilares

Como se mencionó anteriormente, el método fue desarrollado con condiciones específicas, lo que hace que este método tenga algunas limitaciones como:  



Todos los ensayos realizados para la deducción de este método fueron hechos en condiciones de flujo subcrítico, para números de Froude menores que 0.5 El método es aplicable sólo cuando existe un arrastre generalizado de sedimentos, es decir, un aporte de sedimentos al fondo socavado, el método sólo es válido para arenas. Para fondos de sedimentos sueltos más finos, el método debería utilizarse con reservas, siendo inaplicable para sedimentos muy finos de gran cohesión.

Método de Maza y Sánchez Es un método aplicable para lechos cubiertos por arena y grava. El método se basa en el uso decurvas elaboradas a partir de resultados experimentales de laboratorio en investigaciones realizadas en la División de Investigación de la Facultad de Ingeniería de la UNAM en México. Las curvas se derivaron con materiales de diámetro entre 0.17 mm y 0.56 mm.El método propuesto por Maza y Sánchez, posee algunas limitaciones, entre la que se resalta una limitación principal, en la que no tiene en cuenta el diámetro de las partículas del fondo del cauce y que solo se han considerado pilas rectangulares, con aristas vivas, aristas redondeadas y pilas circulares con diferentes ángulos de ataque. A continuación se mostraran las gráficasdel método expuesto.

101


D*



D

K α =1

Ilustración 43 Grafica para pila circular.

Fuente:JoséAntonioMazaÁlvarezyJ.L.Sánchez(1968)No-68

Si la pila está alineada con el flujo, entonces: D*



D

K α α =1  

2 =0 y F r1 Si la pila esta desalineada con respecto respecto al flujo, entonces entonces α =0 r1 <0.6 se considera K α α =1 2 =0 y F r1 Si la pila esta desalineada con respecto respecto al flujo, entonces entonces α =0 r1 >0.6 se 2 multiplica con K α αcorrespondiente y con F r1 r1 se entra a la grafica

Ilustración 44 . Grafica para pila rectangular.


Si la pila está alineada con el flujo, entonces: D*



D

K α =1 α =1

102


 

2 =0 y F r1 Si la pila esta desalineada con respecto respecto al flujo, entonces entonces α =0 r1 <0.6 se considera K α α =1 2 =0 y F r1 Si la pila esta desalineada con respecto respecto al flujo, entonces entonces α =0 r1 >0.6 se 2 multiplica con K α αcorrespondiente y con F r1 r1 se entra a la grafica

Figura N° 1. Grafica para pila redondeada

Ilustración 45 . Grafica para pila rectangular.


Si la pila forma un ángulo (α) cualquiera con el flujo, entonces : D*   Lp  Dsin   D α°

0

15

30

45

K α α

1

1,25

1,4

1,45

Método de HEC – 18. El modelo de Hec -18, está basado en la ecuación propuesta en el HydraulicEngineering Circular No. 18 (HEC-18), cuarta edición. Esta metodología está se rige bajo el resultado de una mejora a la ecuación propuesta originalmente en 1991 en el CSU Colorado StateUniversity, ecuación, luego de investigaciones realizadas por los diferentes Estados bajo la coordinación de entidades gubernamentales como la TRB, FHWA, NTIS, y el U.S Geological Survey, entre otros. Uno de los investigadores al que se le atribuye este método es el Profesor emérito de Ingeniería Civil de la Universidad Estatal de Colorado (CSU),Everett V. Richardson . Esta Metodología del HEC- 18 es de confiabilidad relativamente alta a nivel mundial, esto fundamentadoal examinar las variables que componen sus ecuaciones, la ecuación

103


maneja parámetros influyentes en la profundidad de socavación, parte de estudios de otros autores que realizaron correlaciones de flujo y de factores al intervenir los ensayos en casos diferentes. A continuación se mostraran las ecuaciones y factores de corrección que rigen el método de HEC- 18

Ecuaciones del modelo HEC -1 8  D  d s  2,0 y1 K fp K  K 3 K 4    y1  F r 1 

 Lp  K    seno( )  cos( )   D 

0, 65

F r 1

0, 43

U 1

K 4  1 Si d 50 50 < 2 mm o d 95 95 < 20 mm

y1 g

K 4  0,4U R 

0,15

d 50 50 ≥2 mm o d 95 95 ≥20 mm

Si,

U R

 U 1  U i    U 0(d )  U i ( d 50

 d  U i  0,645 50   D  U i ( d 95 )

0 , 65

0 , 05 3

1

U 0 ( d 50 )

 d   0,645 50   D 

95

U 0( d 50 )



0 , 05 3

U 0( d 95 )



1

3 6,19 y16 d 50

1

U 0 ( d 95 )

   ) 

1

3 6,19 y16 d 95

Factor de corrección para pilas muy anchas:

Si ( y1 / D ) <0,8; (D/d 50 ) > 50 y F r 1  Subcrítico Subcrítico 50

 y  K w  2,58 1   D 

0,34 0, 65 r 1

F

Si, U 1 U 0  1

K w

y   1,0  1  D 

0,13 0 , 25

F r 1

Si, U 1 U 0  1

Factor de corrección para pilotes múltiples no alineados con respecto al flujo Dentro de los factores para pilotes no alineados se tienen dos especificaciones diferentes donde existen dos grandes grupos pilotes espaciados a menos de 5 veces el diámetro de la pila o espaciados más de 5 veces su diámetro. A continuación se mencionara de manera general estos dos factores:

104


Pilotes múltiples espaciados menos de 5 veces el diámetro de la pila Puede modificar el ancho de la pila ( D* ) como el ancho total proyectado de todas las columnas en una sola inclinación normal al ángulo de ataque del flujo, tal como se muestra la Figura 52. Por ejemplo, tres columnas cilíndricas espaciadas 10 metros tendrán un valor de ( D* ) que varía entre 2 y 6 dependiendo del ángulo de ataque del flujo. Este ancho proyectado depende del ancho compuesto de la pila ( D ) y de la longitud de la pila compuesta ( L pc ) y se usa en la ecuación ( ds) para calcular la socavación total en la c

pila. El valor del factor de corrección

K fp

en esta misma la ecuación es de 1,0

independientemente de la forma de la columna. El valor del coeficiente K α podrá ser igual a 1,0 si el efecto del flujo no alineado con la pila se toma en cuenta para el área proyectada de las pilas normales al flujo. D*  DcCos( )  L pc Seno( )

Dc = Ancho de la pila compuesta.

L pc = Longitud de la pila compuesta. D* = Proyección de la pila sobre un plano perpendicular al flujo.

Ilustración 46 Esquema para el factor de corrección por columnas múltiples Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998) HEC– 18(4aedición)No-96

Pilotes múltiples espaciados más de 5 veces el diámetro de la pila Si la basura o material flotante no es un problema, el límite de la profundidad de socavación a 1,2 d s será d s = Socavación de una sola pila

105


Cuando el material flotante o basura es constante sobre la lámina de agua, se deberán realizar algunas correcciones que tendrán algunas consideraciones como:  La basura está alineada con la dirección del flujo y se retiene en la nariz aguas arriba de la pila Figura 47. El ancho de la acumulación, D , en cada lado de la pila es normal a la dirección del flujo.  El extremo de una pila larga y delgada no incrementa significativamente la socavación para la porción de su longitud por encima de un ancho igual a 12 veces el ancho de la pila ( D).  El efecto del incremento de la profundidad de socavación por basura se tiene en cuenta cuando se suma el ancho, D , a los lados y el frente de la pila. d

d



Para determinar el ancho D , se debe usar el buen juicio de la experiencia. d

Ilustración 47 Esquema para el factor de corrección por residuos flotantes método del HEC -18 Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

Con el fin de realizar las correcciones por la presencia de material flotante el autor recomienda seguir los siguientes pasos o procedimiento, donde se tiene: 1. Use los factores K fp y K  de la ecuación (ds) como 1,0. 2.

L’ es equivalente al menor entre la longitud de la pila ( L p ) y 12 veces el ancho de la pila ( 12D )

3.

Escoger el mayor valor del ancho proyectado entre:

De  2 Dd  DCos( ) De  Dd  DCos( )  L' Seno ( ) 4.

Use K 1, K 2, K 3, K 4, y De en la ecuación (ds) como se sugiere a continuación:

d s

 D   2,0 y1 K 3 K 4  e   y1 

0, 65 0 , 43

F r 1

El método HEC – 18, posee además de un cálculo de socavación para varias pilas de normal o común geometría, una metodología llamada cálculo de socavación por cimentaciones complejas, debido a la cimentación, y grupo de pilotes de cimentación, la cuales están basadas en la siguientesecuaciones

106


d s ( p )

 D   2,0 y1 K fp K  K 3 K 4 K hp    y1 

0, 65

F r 1

0, 43

h1  h0  H f El factor K hp se determina a partir de la Figura 54

Ilustración 48 Determinación del factor . Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

Determinación de la profundidad de socavación de debido a la cimentación: Para la determinación de este tipo de socavación el método de HEC- 18, posee dos casos los cuales se expondrán a continuación. Caso 1. El borde inferior de la cimentación está localizado por encima del lecho: La estrategia del método es reducir el ancho de la cimentación D f a un ancho equivalente de la pila D f * , el cual está regido bajo las siguientes ecuaciones

d s ( f )

 D*f    2,0 y2 K fp K  K 3 K 4 K w   y   2 

0,65

 U 2     y g   2 

0 , 43

h2  h0  d s ( p ) / 2 y2  y1  d s ( p ) / 2

U 2  U 1  y1 / y 2  D f *   D f * / D f D f

La relación  D continuación

* f

/ D f 

se determina a partir de la

107

Figura 48, la cual se muestra a


Ilustración 49 Determinación del factor Df. Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

Caso 2. El borde inferior de la cimentación está localizado por debajo del lecho: el método asume que la sección de la zapata que queda expuesta al flujo se comporta como una pila corta, por tal motivo la parte del flujo que pasa por la parte superior de la cimentación se ignora y se realizan los cálculos de la siguiente manera: Se reemplaza la profundidad del flujo y1 por una la altura de cimentación que sobre sale del lecho ( z ) y se reemplaza la velocidad del flujo U 1 por la velocidad en la cimentación U f , además se utiliza el ancho de la cimentación D f .Para ello se recomienda Ver Figura 56 para la iniciar las variables, la cual se muestra a continuación junto con las ecuaciones que rigen la metodología.

d s ( f )

 D   2,0 zK fp K  K 3 K 4 K w  f   z   



U f U 2

0 ,65

 U f     zg   

0, 43

  1 k s      y ln10,93 2  1 k s   ln10,93

z

z  h1  d s ( p ) / 2 y2  y1  d s ( p ) / 2

U 2  U 1  y1 / y2  Profundidad de socavación será :

d s ( e)  d s ( p )  d s ( f )

108


Ilustración 50 Descripción de las variables de ve locidad y profundidad cuando el bloque de cimentación está expuesto al flujo Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

Determinación de la profundidad de socavación debido al grupo de pilotes de cimentación La metodología para determinar la socavación debido a un grupo de pilotes de cimentación se basa en la metodología de los dos casos anteriores, pero el procedimiento para determinar un ancho equivalente al grupo de pilotes de cimentación es un caso simple cuando los pilotes están alineados con el flujo, tal como se puede observar la Figura 51 y es un caso especial cuando los pilotes están desalineadas con el flujo, tal como se puede observar la figura 52

Ilustración 51 Ancho de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación para el caso en el que el grupo de pilotes de cimentación está alineado con el flujo Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

109


Ilustración 52 Ancho efectivo de la pila equivalente al g rupo de pilotes de cimentación para el caso en el que el grupo de pilotes de cimentación no está alineado con el flujo Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

El procedimiento sugerido para el cálculo de la socavación está basado mediante la siguiente metodología: 1. Proyectar el ancho de las pilas en un plano normal al flujo ( D pg ). Determinar el ancho efectivo de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación, el cual producirá la misma socavación que el grupo de pilotes de cimentación ( D ) y * pg

determinan

K s y K m a

* D pg  D pg K s K m

partir de las Figuras 53 y 54 respectivamente. ; K y K s

m

Ilustración 53 Factor de espaciamiento k Fuente: Everett V. Richardson & Stanley R. Davis (1998)

110


Ilustración 54 Factor de ajuste por el número de filas alineadas con el flujo k Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

2. Ajustar la profundidad de flujo, la velocidad y la altura del grupo de pilotes expuestos al flujo para los casos previamente calculados. y3  y1  d s ( p) / 2  d s ( f ) / 2 U 3  U 1  y1 / y3 

3. Determinar el factor de la altura del grupo de pilotes

K hpg ,

basado en la altura del

grupo de pilotes que sobre sale del lecho, usando la Figura 55 h3  h0  d s ( p ) / 2  d s ( f ) / 2

Ilustración 55 Factor basado en la altura del grupo de pilotes que s obre sale del lecho k Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998)

111


4. Determinar la profundidad de socavación debido al grupo de pilotes de cimentación.

 D*pg   d s ( pg )  2,0 y3 K fp K 3 K 4 K hpg   y3   

0, 65

   

  y3 g 

0, 43

U 3

Como último paso el método de HEC- 18, plante que la Profundidad de socavación total, será calculado por la siguiente ecuación d s  d s ( p )  d s ( f )  d s ( pg )

Siguiente la formulación de los anteriores coeficientes de las ecuaciones se tiene que para el método HEC- 18, sus variables son:

Longitud de la pila

m

Aceleración de la fuerza de gravedad.

m/s2

d s ( p )

Componente de la profundidad de socavación debido a la pila.

m

d s ( f )

Componente de la profundidad de socavación debido al bloque de cimentación a la cimentación de la pila.

m

d s ( pg )

Componente de la profundidad debido al grupo de pilotes de cimentación.

m

d s

Profundidad de socavación.

m

S 1

Separación entre ejes de pilotes de cimentación.

m

L p

g

z

Altura del bloque de cimentación que sobre sale del lecho antes de que se presente la socavación debido a m una sola pila.

Y fp

Distancia entre el borde externo del bloque de cimentación y la pila.

m

H f

Espesor de la dimensión vertical del bloque de cimentación.

m

De

Ancho equivalente de una pila no uniforme y/o una pila m con basura

Dd

Ancho promedio de la basura flotante

m

112


Ancho de la pila

D

m

D f

Ancho efectivo del bloque de cimentación. Ver Figura m C6.6

D

Ancho del bloque de cimentación.

* D pg

Ancho efectivo de la pila equivalente al grupo de pilotes m de cimentación.

D pg

Ancho de la pila equivalente al grupo de pilotes de m cimentación.

D

Ancho del bloque de cimentación.

m

* D pg

Ancho efectivo de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación.

m

D pg

Ancho de la pila equivalente al grupo de pilotes de cimentación.

m

*

m

**

K 

Coeficiente basado en el ángulo de ataque del flujo.

K 3

Coeficiente basado en las condiciones del lecho.

**

K 4

Coeficiente de corrección por el acorazamiento de partículas grandes en los materiales del lecho

**

K w

Factor de corrección para pilas muy anchas.

**

K hp

Factor basado en la altura de la pila que sobre sale del lecho y el efecto de protección por ocasionada por distancia "Y fp".

**

K s

Factor de espaciamiento.

**

K fp

Coeficiente basado en la forma de la nariz de la pila.

**

K m

Factor del número de filas alineadas con el flujo.

**

K hpg

Factor basado en la altura del grupo de pilas que sobre sale del lecho.

**

U 1

Velocidad del flujo inmediatamente aguas arriba de la pila

m/s

U 0

Velocidad de umbral para un determinado sedimento.

m/s

U i

Velocidad de aproximación del flujo requerida para iniciar la socavación.

m/s

U R

Relación de velocidades.

**

113


U 2

Velocidad del flujo ajustada para los correspondientes a la cimentación de la pila.

cálculos

U 3

Velocidad del flujo ajustada correspondientes al grupo de pilas.

cálculos

U f

Velocidad de flujo en la cimentación de la pila.

m/s

d 50

Tamaño del sedimento respecto al cual el 50% en peso de las partículas es más fino.

m

d 95

Tamaño del sedimento respecto al cual el 95% en peso de las partículas es más fino

m

d x

Tamaño del material del lecho respecto al cual el x % en peso es más fino

m

k s

para

los

Rugosidad del grano en el lecho. (Se asume como d 84 del material del lecho).

m/s m/s

m

y1

Profundidad del flujo aguas inmediatamente arriba de la pila.

m

y2

Profundidad de flujo ajustada para los correspondientes a la cimentación de la pila.

cálculos

m

y3

Profundidad de flujo ajustada correspondientes al grupo de pilas.

cálculos

F r 1

Número de Froude para el flujo inmediatamente aguas arriba de la pila.

**

h0

Altura entre la parte inferior de la cimentación y el nivel del lecho

m

h1

Distancia entre el borde inferior de la pila y el nivel del lecho antes de la socavación debido a u na sola pila.

m

h2

Distancia entre la borde inferior de la cimentación y el nivel del lecho después de que se ha presentado a socavación debido a una sola pila.

m

h3

Distancia entre el borde superior del grupo de pilas después de que se ha presentado la socavación debido a una sola pila y a la cimentación de la pila.

m



Ángulo de ataque del flujo con respecto a la pila

º

D1

Ancho del pilote de cimentación individual.

m

para

los

m

Donde **, son valores adimensionales, y los factores que se encuentran dentro de las ecuaciones serán calculados según las recomendaciones del autor (Everett V. Richardson), entre las que se destacan:

114




El factor de corrección

K fp se

determinara usando la tabla14 y figura 56 para

ángulos de ataques menores de 5º. Para ángulos mayores,

K  predomina

y K se fp

debe considerar igual a 1,0.

Ilustración 56 Formas de pila

Tabla 13 Factor de Corrección para la forma de la nariz de la pila

Forma de Pila

K fp

Nariz Rectangular Nariz redondeada Pila Cilíndrica Nariz triangular Grupo Pilas Cilíndricas

1,1 1,0 1,0 0,9 1,0

Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998) HEC– 18(4aedición)No-96.Editadoporelautor .



El valor del coeficiente Kα se aplica solo cuando las condiciones en campo son tales que la totalidad de la longitud de la pila está influenciada por el ángulo de ataque del flujo. Tabla 14 Factor de Corrección para el ángulo de ataque

Ángulo ataque 0° 15° 30° 45° 90°

de L p /D =4 1,0 1,5 2,0 2,3 2,5

L p /D =8

L p /D=12

1,0 2,0 2,75 3,3 3,9

1,0 2,5 3,5 4,3 5,0

Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998) HEC– 18(4aedición)No-96.Editadoporelautor.

115




Si

L p / D

es mayor que 12 se usa

 Lp K  ecuación    D

 seno( )  cos( )  

L p / D

=12 como el valor máximo para la

0, 65

y la tabla C6.3

Tabla 15Factor de corrección según las condiciones del lecho K 3 .

Condición del Altura de lecho las Dunas Socavación N/A en Agua clara Lecho plano N/A Dunas 3>H< 0,6 Pequeña Dunas 9>H>3 Mediana Dunas H>9 grandes

K 3

1,1

1,1 1,1 1,11,2 1,3

Fuente:EverettV.Richardson&StanleyR.Davis(1998) HEC– 18(4aedición)No-96.Editadoporelautor.



El mínimo valor de K4 es de 0,4 y solo debe ser usado cuando

U 1 < U i ( d 50 ) .



El factor de corrección por pilas muy anchas solo debe ser cuando número de Froude es subcrítico y d / D > 50.

y1 / D <

0,8, el

50

Método de la ecuación de Froehlich. Este método se basa por la ecuación desarrollada por el D. Froehlich (1991), la cual es utilizada en el paquete de ecuaciones del software HEC- RAS, como ecuación alternativa a la ecuación de la universidad de Colorado, el método de rige mediante la siguiente ecuación.

Dónde:

  0.32∅´...−.  

∅

= factor de corrección por perfil de la nariz de la pila

b´ = proyección del ancho de la pila respecto a la dirección del flujo (acompañado de un factor de seguridad)

∅ ∅

= 1.3: pila con nariz cuadrada = 1.0: pila con nariz redondeada.

116


∅

= 0.7: pila con nariz triangulada o afilada

6.2.8. Socavación al pie de estribos y espolones.

Para el cálculo de la socavación en estribos y espolones, el uso común de metodologías se centra en las ecuaciones de Field, Liu y Alia, Artamanov, Giuseppe Oliveto&Willi H. Hager, Terry W. Sturm A (2000), Fred Chang y Stanley R. Davis (1998), Siow-YongLim (1997), Bruce W. Melville y Robert Ettema (1993), entre otros muchos autores. A continuación se muestran algunos de estos métodos. Método del field Este método se basa en una carta de diseño para socavación de equilibrio, la cual la construyeron utilizando los métodos de Liu y Alia para muros verticales y estribos de tablero vertical. El cálculo de la socavación se realiza a partir de las curvas, a las cuales se entra con los siguientes parámetros adimensionales:

Dónde:

 ,  ,,√   

Ds = profundidad de socavación de equilibrio, medida bajo la superficie del flujo normal (Ds= ds+Yo) ds = profundidad de socavación local, medida desde el nivel del lecho Yo = profundidad media de la lámina de agua M = proporción de abertura. M = (B´/B) B´= ancho de la abertura del puente a una profundidad de Y 0/2 de bajo de la superficie del flujo normal B = ancho promedio de la parte superior del canal de aproximación o de aguas arriba b = proyección normal al flujo del estribo o pila, medida a nivel del lecho Fr = número de Froude V0 = velocidad media normal del flujo De la figura 63, se utilizara para la obtención de el parámetro D sM / Y0´, que permite hacer el cálculo de D s´, una vez se calcule el D s se deberá aplicar los factores de corrección o factores multiplicadores, según la forma y el talud del estribo, posición del estribo dentro del cauce y el ángulo de ataque de la corriente. Para el cálculo de estos factores se utilizaran las tablas 23 y 24 junto con la figuras63 y 64 que se mostraran a continuación.

117


Tabla 16Factor de corrección por la forma de los estribos .

Forma del estribo

Ks

Tablero vertical

1.00

Muro vertical angosto

1.00

Aletas a 45°

0.85

1 :1 completamente abierto

0.65

1 :1 abierto con pared vertical debajo 0.80 del nivel normal del lecho Fuente:cuadro2.14,HidráulicaFluvial,RodríguezDíaz,2010

Tabla 17. Factor de corrección por la forma de los estribos.

Posición Canal recto o entrada a la curva Lado cóncavo de la curva (externo) Lado convexo de la curva (interno) Debajo de la curva, lado cóncavo curva pronunciada -curva moderada

Kb 1.00 1.10 0.80 1.40 1.10

Fuente:cuadro2.15,HidráulicaFluvial,RodríguezDíaz,2010

.

Ilustración 57 Factor de alineamiento en pilas (Laursen 1956) Fuente:figura1.24.Tesisdesocavaciónenpilasyestribos,OsornioEdgar.EditadaporelAutor

118


Ilustración 58 Factor de alineamiento en pilas (Laursen 1956) Fuente:figura1.24.Tesisdesocavaciónenpilasyestribos,OsornioEdgar.EditadaporelAutor

Método de Giuseppe Oliveto&Willi H. Hager Este método se basa por una investigación conjunta de la Universidad de Balicata en Italia y el ETH –Zentrum en Suiza. Los experimentos que se llevaron a cabo, fueron en una canal de sección rectangular de 1,0 m de ancho, probado con seis diferentes tipos de sedimentos. Estos sedimentos incluían partículas uniformes plásticas con una densidad de aproximadamente 1,42 t/m 3 y un d 50 =3,3 mm, una arena uniforme con d 50 =4,8 mm y una grava uniforme con un d 50 =5,3 mm. Las tres mezclas empleadas tenían tamaños d 50 de 5,3 mm, 1,2 mm y 3,0 mm con desviaciones de 1,43; 1,80 y 2,15 respectivamente. Las longitudes de los estribos variaron entre 0,01 m y 0,50 m, esta metodología es aplicable para velocidades del flujo inferiores a la velocidad erosiva o velocidad crítica en el umbral del movimiento generalizado de sedimentos de fondo. A continuación se presenta una breve reseña de las limitaciones y observaciones que propone el autor: 

 

Metodología propuesta originalmente para estribos de pared vertical, sin embargo, para estribos de otras formas se sugiere utilizar los coeficientes de forma de Yaroslavtziev o de otros autores. Cauces sin apreciables micro-formas. Patrones de distribución de la rugosidad cercanamente uniformes (no necesariamente consiste en sedimentos uniformes). El fluido es agua o un fluido de viscosidad similar. Los sedimentos son gravas o arenas. Los sedimentos pueden ser diferentes mientras su densidad sea superior a la del fluido.

119




   



El tamaño medio del sedimento no debe ser mayor que 0,1 y para así, poder limitar efectos de rugosidad adicionales. Para excluir los efectos de la viscosidad, el tamaño d 50 debe ser mayor que 0,8 mm (En flujos de agua con sedimentos arenosos). Para sedimentos de menor tamaño los efectos de viscosidad dominan el fenómeno de la socavación. El máximo número de Froude crítico (para las condiciones de umbral) en la aproximación al estribo se limita a 1,2. La desviación de la ecuación (d s) cumpliendo los parámetros limitantes fue mejor que el 10%, con una máxima desviación del orden del 20% Esta ecuación no tiene limitación en el tiempo. Los valores del tiempo pueden ser hasta del orden de 10 8 segundos. Un tiempo típico de socavación es del orden de 10 5 segundos (1,16 días). Para F rd  F rd 0 las profundidades estimadas por la ecuación (1) son tan pequeñas que resultan irrelevantes. Normalmente el F rd 0 es mucho menor que F rd , sin embargo, algunas veces se puede despreciar. 1

Las ecuaciones que rigen el método propuesto por Giuseppe Oliveto&Willi H. Hager son manejadas con unidades internacionales: 1, 5 d s  0,085   1/ 2 F rd log( T 1) ; para F r d  F r d 0

S

1/ 3

T 1



OR



Le

S OR 

2/3



y



1 gd 50

1/ 3

T

1

 s 

1 / 12 1/ 6 F r d 0  1,08C uR ( Rh / d 50 ) ; para 10  C uR  150

C uR 

d 50

d R

  U 1 1/ 3

F r d

 



S OR  1 gd  50 d 84 d 16

0, 25 1/ 6 F r d 0  2,33C uR ( Rh / d 50 ) ; para C uR  10

F r d 0  1,65( Rh / d 50 )1/ 6 ; para C uR  150

120


1/ 3

2  d R    v ( S  1) g   OR 

Dónde: C uR

Coeficiente de uniformidad respecto al tamaño de referencia (fórmula 9)

F rd

Número de Froude densimétrico (fórmula 2)

F rd 0

Número de Froude densimétrico para condiciones de umbral.

SOR

Densidad relativa del sedimento

R h

Radio hidráulico

T 1

Factor adimensional del tiempo (fórmula 3)

U 1

Velocidad del flujo inmediatamente aguas arriba del estribo.

D

Ancho de la pila

d16


d50


d84


d s

Profundidad de socavación.

d R

Tamaño de referencia del sedimento

g

Aceleración de la fuerza de gravedad.

σ

Coeficiente de gradación del sedimento.

T

Tiempo de socavación

y1

Profundidad del flujo inmediatamente aguas arriba de la pila.

v

Viscosidad cinemática del fluido

121




Densidad del agua

 s

Densidad del sedimento

Método de Liu y Alia El modelo matemático que rige el modelo es el resultado del análisis dimensional y algunos ensayos de laboratorio realizados por Liu y Alia, todos direccionados en condiciones de transporte continuo de sedimentos. A continuación se mostrara su ecuación y sus variables respectivas

  2.5 ( ). ∗.  

Dónde:

Ds = profundidad de socavación local, medida desde el nivel del lecho (m) Yo = profundidad de la lámina de agua de la media aguas arriba Fr = número de Froude V0 = velocidad del flujo aguas arriba b = ancho del muro o aleta vertical de los estribos de tablero o cuerpo vertical Los autores han propuesto que el valor de d s/Yo debe incrementarse un 30% para estimar la máxima profundidad de socavación, ya que los datos observados en estribos con aletas y estribos abiertos presentaron menos profundidad de socavación que la calculada con la ecuación. Método de Artamanov El método de Artamanov se basa en la premisa de que la erosión depende del caudal que teóricamente es interceptado por el estribo, del talud que tienen los lados del estribo y del ángulo que forma el eje del estribo con la dirección del flujo. El modelo matemático fue obtenido mediante el análisis dimensional de variables y el desarrollo de relaciones entre los principales parámetros adimensionales, el cual fue desarrollado en la Universidad de Rusia. A continuación se mostraran sus ecuaciones y sus variables. d s  K K Q K k y1 (1) 

d s  K Q y1

(2)

Dónde: d s

= Profundidad de socavación local en el estribo.

m



= Ángulo de ataque del flujo hacia el estribo.

grado s

122


y1

= Profundidad del flujo inmediatamente aguas m arriba de la pila.

K 

= Factor de corrección basado en el ángulo de ataque del flujo = Factor de corrección en función de la relación

K Q

Q1 / Q

** **

K k

= Factor de corrección por el talud a los lados del ** estribo.

Q1

= Caudal teórico interceptado por el estribo

m 3/s

Q

= Caudal total que circula por la corriente.

m 3/s

El autor hace algunas anotaciones del método, entre las que se tiene: 

La ecuación (2) es aplicable si el ángulo de ataque del flujo con respecto al estribo es =0° y el estribo es de pared vertical. 



Los valores para la variable   K 



60 0,94

Los valores para la variable 0,1 0 2,0 0

Q1 / Q K Q



20 0,84

K  son:

0,2 0 2.6 5

Los valores para la variable

90 1,0

120 150 1,07 1,188

K Q son:

0,3 0 3,2 2

0,4 0 3,4 5

0,5 0 3,6 7

0,6 0 3,8 7

0,7 0 4,0 6

K k son:

Tal ud

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

K k

1,0

0,91

0,85

0,83

0,61 0,5 0

123

3,0

0,8 0 4,2 0


Método de MohammadAkram Gill (1972) El método fue desarrollado por el profesor del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Ahmadu Bello, en Zaria, Nigeria, este método se apto en Estribos de pared vertical en condición de agua clara o lecho activo. El modelo matemático se mostrara a continuación. d s  y1 y1

 d   8,375 50   y1 

0, 25

 1/ m      6/ 7    1  c   c    b   b  

3 / 7

Dónde: d s

= Profundidad de socavación local en el estribo.

m

y1

= Profundidad del flujo inmediatamente aguas arriba de la pila.

m

Le

= Longitud del estribo.

m

d 50

= Tamaño del sedimento respecto al cual el 50% (en peso) de las partículas es más fino.

m

 c

= Esfuerzo cortante crítico que inicia el movimiento.

kg/m2

 b

= Esfuerzo cortante Esfuerzo cortante del lecho debido a la rugosidad del grano.

kg/m2

124

Hidraulica Fluvial Final

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