UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
Titulación de Ingeniería Civil
HIDRÁULICA III ESTABILIZACIÓN DE CAUCES MÉTODO DE ALTUNIN
Realizado por: JEAN DARIO ERREYES VACA KARINA MICHELLE LUZURIAGA ABAD
Docente: PHD. HOLGER BENAVIDEZ MUÑOZ
11 DE ENERO DEL 2017
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1. INTRODUCCIÓN Se conoce que aproximadamente los ríos, en todos sus tramos poseen estabilidad morfológica siempre y cuando no hayan sido afectados por el hombre y por ciertas condiciones naturales como la velocidad y aumento del caudal. Con el paso del tiempo los márgenes del cauce y su fondo se ven afectados por el arrastre de material causando erosiones, desplazamientos laterales y cambios en la morfología e hidrología del río. Por estas razones se hace necesario elaborar obras fluviales de control de ríos. Éste trabajo ha sido elaborado para explicar en forma detallada la metodología de Altunin con respecto a la estabilización de cauces, usada para el diseño de distintas obras de protección y encauzamiento de ríos. 2. MARCO TEÓRICO Este método fue desarrollado a partir de la observación de ríos con material granular. Se analiza la estabilidad para velocidades cercanas a la crítica. Si se aplica a cauces arenosos los resultados son sobrevaluados. (Delgadillo Pelcastre & Lopez Orozco, 2009). Para conocer la estabilidad de un cauce. Altunin (1962) la mayor o menor resistencia de las orillas a la erosión y la zona del río donde se encuentra el tramo en estudio Lo que le permitió realizar una clasificación de los tipos de orillas: Tipo a.- Las orillas son difícilmente erosionables (materiales muy cohesivos). Tipo b.- Las orillas son fácilmente erosionables (materiales sin cohesión). Altunin (1962) distingue tres zonas principales a lo largo del río: montañosa, intermedia y plana o deltaica. Propuso ecuaciones para obtener los tres grados de libertad (Maza Álvarez & García Flores, 1993). Para el desarrollo del método se establece una ecuación para determinar la velocidad media de la corriente que no sea capaz de producir erosión, tomando en cuenta el diámetro del material del fondo y el tirante: U=αVo d ∝
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α : coeficiente, según Altunin vale 1.0 para montaña y zona intermedia, y 1.15 para zona de planicie. Vo: velocidad media máxima que soportan las partículas del fondo sin que se produzca erosión cuando el tirante es de 1 m, en función del diámetro medio de las partículas. d: tirante medio en la sección igual al área entre el ancho de la superficie libre en m. α: exponente que depende del tirante. Además, se propuso otra ecuación que define la velocidad media en función de la resistencia del fondo: U=k d 2m S x k: coeficiente de rugosidad para cauces con gravas o diámetros mayores. dm: tirante o profundidad media. z: exponente que para las condiciones indicadas se recomienda igual a 1/2. x: exponente que para las condiciones indicadas se recomienda igual a 1/3.
3. DESARROLLO MATEMÁTICO 1. Calcular el ancho regulado del cauce. 0.5 A∗Q Br = 0.2 S Br: Ancho regulado del cauce m. A: Coeficiente que depende la morfología del río. Q: Caudal de diseño m3/s S: Pendiente en prueba m/m. 2. Calcular el tirante medio regulado del cauce Hmr. Hmr=(
Q∗n 0.6 ) Br∗S0.5
3. Calcular el tirante medio normal del cauce Hmn.
3
3/2
Hmn=(
V ∗n ) S0.5
4. Calcular el ancho natural del cauce Bn. Bn=
Q V ∗Hmn
5. Calcular indicadores B m=K∗Hmr
6.
Condición: Si (Bm-KHmr
Vcm=
Q Br∗H
7. Calcular velocidad media del cauce regulado.
Vcm 32 ∗(Hmr∗S)3 /2 W
( )
Pr=0.022∗
- W: Velocidad de caída de las partículas 8. Calcular indicadores: segunda condición. 3 V 2 Pn=0.022∗ ∗( Hmn∗S)3 /2 W
( )
Condición: Si(Pr>=Pn, “SI”, “NO”) La capacidad de transporte de los sedimentos en suspensión del cauce regulado debe ser mayor o igual que la capacidad de transporte del cauce natural. 9. Velocidad inicia de arrastre del río en cauce regulado. Vor=3.83∗( dm)1/ 3 ( Hmr)1 /6 dm: diámetro medio de partículas (m)
4
10. Velocidad inicial de arrastre del río en cauce natural. 1/ 3 1/ 6 Von=3.83∗(dm) ( Hmn) 11. Capacidad de arrastre de sedimentos de fondo del cauce regulado. Vm 3 dm 1 / 4 qfr=0.95∗dm 0.5∗ ∗(Vmc−Von)∗( ) Vor Hmr
( )
12. Capacidad de arrastre de sedimentos de fondo del cauce natural. Vm 3 dm 1 /4 qfr=0.95∗dm 0.5∗ ∗(Vm−Von)∗( ) Von Hmn
( )
-
Vm: Es la velocidad media del cauce m/s
13. Caudal de sedimentos del fondo regulado. Qfr=qfr∗Br∗K 1 14. Caudal de sedimentos del fondo del cauce natural. Qfn=qfn∗Bn∗K 1 K1: Coeficiente del ancho activo del movimiento de los sedimentos de fondo. 15. Calcular indicadores: tercera condición. Condición: Si(Qfr>=Qfn, “SI”, “NO”) Tercer indicador: La capacidad de arrastre de los sedimentos de fondo del cauce regulado debe ser mayor o igual que la capacidad de arrastre del cauce natural. 16. Calcular el caudal unitario. q=Hmr∗Vcm 17. Velocidad de fondo 1.25∗q 6.15∗Hmr Hmr∗log ( ) dm 18. Calcular indicadores: cuarta condición. Condición: Si(Vf
Cuando no se cumple la cuarta condición se debe reducir la pendiente. En los tres primeros indicadores, cuando no se cumple la condición, se debe aumentar la pendiente, hasta que cumpla. 4. CASO DE ESTUDIO Para el cálculo del control vertical debemos temer en cuenta el material de fondo. Se han destinado un cauce, el cual ha sido divido en tramos para ser analizada por la metodología de Altunin. 5
TRAMO 1 Datos Velocidad Media m/s Caudal Estimado m3/s Coef. Rugosidad Velocidad Caída de Partícula W (m/s) Diam. Part. Suspens. Dm (m) Exponente (A) Coeficiente (K) Coeficiente (K1) Coeficiente (m) Tramo # Abscisa Inicial Abscisa Final Longitud Tramo Pendiente media natural del tramo
3.42 80 0.04 0.75 0.04 0.87 10 5 0.9 1 0+000 0+100.0 0 100 0.03
TRAMO 2
Datos Velocidad Media m/s 1.6 Caudal Estimado m3/s 0.4 Coef. Rugosidad 0.03 Velocidad Caída de Partícula W (m/s) 0.52 Diam. Part. Suspens. Dm (m) 0.0186 Exponente (A) 1.1 Coeficiente (K) 10 Coeficiente (K1) 0.2 Coeficiente (m) 0.7 Tramo # 2 Abscisa Inicial 0+000 0+006.0 Abscisa Final 0 Longitud Tramo 6 Pendiente media natural del tramo 0.027
TRAMO 3
6
Datos Velocidad Media m/s 1.34 Caudal Estimado m3/s 0.4 Coef. Rugosidad 0.03 Velocidad Caída de Partícula W (m/s) 0.75 Diam. Part. Suspens. Dm (m) 0.04 Exponente (A) 0.87 Coeficiente (K) 10 Coeficiente (K1) 0.2 Coeficiente (m) 0.7 Tramo # 3 Abscisa Inicial 0+012 0+018.0 Abscisa Final 0 Longitud Tramo 6 Pendiente media natural del tramo 0.029
5. DISCUSIÓN Para la metodología del método de Altunin se supuso varias pendientes, determinando el ancho y calado para una sección del cauce. Se pudo determinar el mejor valor de pendiente con las características de cumplir la estabilidad del cauce y parecerse o aproximarse lo más posible a la pendiente del cauce natural. Se pudo determinar para los 3 tramos del cauce los siguientes datos: Br^m=K*Hm i TRAMO 1 0.0160 0.0170 0.0175 0.0177 0.0179 0.0180 TRAMO 2 0.0250 0.0255 0.0260 TRAMO 3 0.0170 0.0180
r
pr>pn
Qfr > Qfn
Vfon < V lim. Sup
SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
7
0.0190 0.0200 0.0210 0.0220 0.0230 0.0240 0.0250
SI SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI SI
SI SI SI SI SI SI SI
Para el primer tramo se obtuvo valores de la pendiente de 0.0177, para el segundo tramos, 0.0255 y para el último tramo 0.02. De todas las pendientes propuestas se realiza la concatenación de las velocidades de fondo y del límite superior bajo la cual se inicia el movimiento masivo de los sedimentos de fondo, es decir, si el cuarto indicador no se cumple es porque la pendiente es tan grande que erosiona por el aumento de velocidades. 6. CONCLUSIONES
Para establecer la pendiente apta de estabilización del cauce, de todos los valores que cumplen con los criterios de aceptación, se elige a un valor medio de ellos, considerando que no sea tan bajo como para que se produzca sedimentación, ni tan alto como para que ocurra erosión y socavación, además de acercarse a la pendiente natural del tramo con la finalidad de afectar en gran cantidad la
morfología del cauce. Se pudo determinar que, para valores similares de caudal, longitud de tramo, características de partículas, pero mayor velocidad media del cauce mayor se
obtiene un resultado menor para la pendiente de estabilización. Al incrementarse el caudal y la velocidad media del cauce el valor y las dimensiones de las partículas de la pendiente de estabilización también aumenta para cumplir con dichas características.
7. ANEXOS -
HOJA DE CÁLCULO EN EXCEL
8. REFERENCIAS FLORES, Cristian (2013). BASES PARA EL DISEÑO DE ENCAUZAMIENTOS DE MÁRGENES ESTABLES Y DE MÁRGENES CON PROTECCIÓN DE ENROCADO O PEDRAPLÉN. Recuperado de: http://www.dspace.uce.edu.ec/bitstream/25000/1739/1/T-UCE-0011-51.pdf 8
ORDOÑEZ, Mario (2010).“AUTOMATIZACION DE LAS HERRAMIENTAS DE CÁLCULO PARA EL ANALISIS Y DISEÑO DE ENCAUZAMIENTO DE RIOS – IMPLEMENTACION EN EL LABORATORIO VIRTUAL DE HIDROLOGIA (HYDROVLAB). Recuperado de: http://dspace.utpl.edu.ec/bitstream/123456789/1577/3/Mario.pdf MAZA, José. ESTABILIDAD DE CAUCES. Manual de Ingeniería de Ríos. Recuperado de: http://cenca.imta.mx/images/MIR/Cap%2012%20MIR %20582%20Estabilidad%20de%20Cauces.pdf MAZA, José. ESTABILIZACIÓN Y RECTIFICACIÓN DE RÍOS. Manual de Ingeniería de Ríos. Recuperado de: http://eias.utalca.cl/isi/publicaciones/unam/estabilizacion_y %20rectificacion_de%20rios.pdf DELGADILLO, Diego. ESTABILIDAD DE CAUCES Y DISEÑO DE CANALES ESTABLES. Recuperado de: https://es.scribd.com/doc/66623020/6HIDRAULICA-DE-RIOS. Manual de Diseño de Obras Civiles, "Cap A. 1. 10 Avenidas de Disefío" Comisión Federal de Electricidad, México, 1981. J.P. Martín-Vide. Restauración del río Besòs en Barcelona. Historia y lecciones aprendidas. Recuperado de: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2386378115000031
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