UNIDAD DIDACTICA Nº 02 TEORIA DEL REGIMEN (ESTADO DE EQUILIBRIO)
GRADOS DE LIBERTAD EN ESCURRIMIENTO FLUVIAL COMUNICADO IMPORTANTE Escurrimiento con un grado de libertad.Se dice cuando se tiene un canal revestido o sin arrastre de sólidos, con ancho, pendiente, rugosidad y un gasto determinado, basta una ecuación para conocer el tirante que es la única variable; este escurrimiento tiene un grado de libertad. Escurrimiento con dos grados de libertad Se dice cuando se tiene un canal revestido, además de hacer pasar el gasto liquido se alimenta constantemente de un cierto gasto sólido, se ajustaran la pendiente del f ondo y el tirante, hasta lograr valores tales que el gasto liquido sea capaz de arrastrar el material sólido (gasto solido), entonces se dice que el escurrimiento tiene dos grados de libertad, ya que se puede ajustar el tirante y la pendiente y se necesitaría dos ecuaciones para el cálculo las dos variables. Escurrimiento de tres grados de libertad. Si se forma un canal en material aluvial y si se alimenta un gasto l íquido y un gasto sólido como en el caso anterior, se ajustaran la pendiente, ancho y tirante de la sección hasta que el gasto liquido arrastre en forma uniforme y continua el sedimento alimentado. En estas condiciones se dice que la corriente tiene tres grados de libertad y se requerirán tres ecuaciones a fin de definir el estado de equilibrio. Si se permiten todos los grados de libertad, un rio es una corriente de agua que forma su cauce ajustando libremente, su ancho, su pendiente y su nivel de aguas, hasta que llega a un estado de equilibrio.
ESTABILIDAD ESTATICA, ESTABILIDAD DINAMICA Y ESTABILIDAD MORFOLOGICA
La estabilidad representa la relación con la predicción de la variación de las características geométricas y pendientes de un rio cuando se modifica alguna de las condiciones naturales de la cuenca y/o del rio, como por ejemplo, al alterar el hidrograma de escurrimiento y el transporte de sedimento mediante la construcción de una represa o embalse o al aumentar el volumen de sedimentos en el cauce debido a la desforestación en parte de la cuenca, etc. Si se construye una represa, el agua al ser retenida no arrastrara material sólido, esto provocara un cambio de la sección y de la pendiente del rio aguas debajo de esta represa y esto se adaptara a las descargar de agua que se realizan por la represa. Tenemos tres tipos de estabilidad, estos son: Estabilidad Estática.-
Se presenta cuando en una corriente los márgenes y el fondo permaneces constantes, por lo que la sección no varía y en planta el rio no sufre ningún corrimiento lateral. Este grado de
estabilidad lo tienen los canales sin arrastre de sedimentos o algunos ríos durante la época de estiaje. Estabilidad Dinámica.-
Corresponde a los ríos o canales que tienen un solo cauce y todo el gasto pasa por él, además existe arrastre de sedimentos y aunque su s secciones transversales en un cierto tramo llegan a variar, ellas son aproximadamente similares año con año, al ser observados en la misma m isma época. Estabilidad Morfológica.-
Cubre una región más amplia, esto es que en cualquier cauce natural, la pendiente, el ancho, tirante y numero de brazos por lo que escurre el gasto, dependen de las características del sedimento, de la calidad y cantidad del transporte de sedimentos y su distribución anual de caudal que procede de aguas arriba o que es aportado lateralmente.
ESTADO DE EQUILIBRIO Estado de Equilibrio, Equilibrio, se dice a un tramo de un rio cuando la cantidad de solidos que ingresa es igual a la que sale, en un tiempo determinado. En dicho tramo no hay erosión ni sedimentación. Evidentemente que el estado de equilibrio solo puede entenderse como una condición media en el tiempo.
Cuando un tramo fluvial se encuentra en estado de equilibrio, significa que la pendiente, la geometría del cauce, la descarga, la rugosidad y cualquier otra característica hidráulica son las requeridas para transportar los sólidos que ingresan a dicho tramo. La pendiente de un tramo fluvial en estado de equilibrio recibe el nombre de perfil o pendiente en equilibrio.
TEORIA DEL REGIMEN
Esta teoría tiene como objetivo lograr el dimensionamiento (ancho, tirante y pendiente) de canales y/o ríos donde se pretende construir alguna estructura hidráulica, de modo que no se produzca erosión ni sedimentación, es decir que se logre el estado de equilibrio. A dichos ríos o canales, en los que no existe erosión ni sedimentación, los llamamos ríos o canales en régimen. Se puede considerar que la teoría del régimen se originó en la India con los trabajos del Ing. Kennedy, cuando en 1895 estableció una relación empírica entre el tirante y la velocidad media para el diseño de canales en régimen.
CAUDAL DOMINANTE O GASTO FORMATIVO
Es el caudal o gasto que originó la forma del rio, llamado también descarga de formación del lecho. Este valor es el que se utiliza en los métodos de la Teoría del Régimen y para hallar este valor existen tres métodos:
Primer criterio.- El criterio.- El Caudal dominante, es el que resulta de un análisis de frecuencias de datos de caudales máximos, se calcula para un periodo de retorno retorno de 1.4 años. Segundo criterio.- Algunos consideran que el caudal dominante es el gasto máximo que es capaz de pasar por una sección del cauce principal sin que se desborde. Tercer criterio.- El caudal dominante es el caudal promedio anual, que transportaría la misma cantidad de material de fondo que con el hidrograma anual de caudales.
METODOS DESARROLLADOS EN LA TEORIA DEL REGIMEN:
Existen varios métodos, de los cuales c uales enumeraremos algunos:
Método de Lacey,
Método de Blench,
Método de Altunin,
Método de Maza-Cruickshank,
Método de Pettit,
Método de Simmons y Alderson.
Otros…
Para el presente curso desarrollaremos los tres primeros: METODO DE LACEY (1929) Establece las siguientes formulas:
= 4.831 ∗ . = 0.474474 ∗ ( )
=
s Donde:
.∗ ∗
= 50.60∗0 ∗ .
2∗ . ℎ = ∗2∗
B = Es el ancho de la superficie libre del agua en metros. Q = Es el caudal dominante en m3/s. Y = Es el tirante medio en metros. Dm = Diámetro medio del material de fondo en metros, D 50. S = pendiente m/m. Rh= Radio Hidráulico de la sección en metros. Las características de los canales en los que Lacey hizo sus estudios eran las siguientes:
Material de fondo no cohesivo (material suelto). Diámetro medio entre 0.15 mm y 0.4 mm. Ondulaciones en el fondo. Trasporte de material de fondo inferior a 500 ppm. Caudal dominante entre 1.4 m3/s a 280 m3/s. METODO DE BLENCH (1960) Blench hace uso de dos factores: Fb y Fs, siendo: Fb es un factor que depende de la Naturaleza del lecho, específicamente del tamaño del material de fondo. Fs es un factor sedimentológico lateral y su valor depende de la erosionabilidad de los márgenes. Las formulas establecidas por Blench, adaptadas al sistema métrico son:
= 1.81∗81 ∗ . = 0 . 5 6 ∗ ∗ ∗ = ∗ √ *
*
=1.9*
*(1+0.12c)
Fs = 0.1 Para materiales sueltos fácilmente erosionables. Fs = 0.2 Para materiales ligeramente cohesivos. cohesivos. Fs = 0.3 Para materiales cohesivos o de difícil erosión.
= 10.1 0233012∗ Donde:
Q es el caudal dominante en m3/s. B es el ancho en metros. Y es el tirante en metros. D50 es el diámetro medio en mm.
= 6.0.3∗
c es la concentración de solidos de fondo en partes en peso por 100,000.
= viscosidad m 2/s.
g= gravedad m/s 2 .
S= pendiente en m/m METODO DE ALTUNIN Altunin tomo en cuenta los siguientes criterios: Criterio geográfico-geomorfológico de los ríos, así diferencia tres tipos de ríos, ríos de zona montañosa, ríos de zona intermedia y ríos de zona de la planicie. La mayor o menor resistencia de las orillas a la erosión. La rugosidad del lecho (n de manning). El esfuerzo tractivo requerido para mover los sólidos de fondo. Las formulas planteadas por Altunin son:
. = ∗ . + = ( ∗ ) . . 0. 0 56∗ − ∗ = ∗ ℎ ∗ = ()
Cuando no se tienen los datos necesarios para determinar el valor de m, se utiliza 0.5 para ríos de montaña, 0.7 para ríos de zona intermedia y 1 para ríos de planicie. K es un coeficiente que depende de la resistencia de las orillas a la erosion cuyos valores son de 3 a 4 si el material es resistente a la erosión y de 16 a 20 para material fácilmente erosionable. Por cuestiones prácticas para ríos aluviales este valor se toma igual a 10. Donde: Q es el caudal dominante en m3/s. B es el ancho en metros. S es la pendiente del rio en m/m
ɣs es el peso específico del sólido en kg/m3. ɣ es el peso específico del agua en kg/m3. D50 es el diámetro medio en metros. Rh es el radio hidráulico en m. Tc = Esfuerzo tractivo critico (kg-f/m2). To = Esfuerzo tractivo (kg-f/m2).
