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7/25/2019 Presas abiertas para control de sedimentos en ros de montaa
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DEDICATORIA
Gonzlez von Daniken, Boris Alberto
7/25/2019 Presas abiertas para control de sedimentos en ros de montaa
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DEDICATORIA
Verde C., Douglas E
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AGRADECIMIENTOS
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Gonzlez V., Boris A
AGRADECIMIENTOS
Verde C., Douglas E
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v
Gonzlez von Daniken, Boris Alberto, Verde C., Douglas E
ANLISIS EXPERIMENTAL DEL FUNCIONAMIENTO
HIDRULICO DE PRESAS ABIERTAS PARA EL CONTROL O
RETENCIN DE SEDIMENTOS.
TUTOR ACADMICO: Prof. Mara Elena Bello. Trabajo Especial de Grado.
Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniera. Escuela de Ingeniera Civil. 2011, 196 P.
Palabras Claves: Presas abiertas, Alud torrencial, Transporte de sedimentos,
Control de Sedimentos, Medidas estructurales de Mitigacin, Modelaje Fsico, Estado
Vargas.
Resumen.
En diciembre del ao 1999 ocurri un evento extraordinario de precipitacinque origin fuertes flujos torrenciales que produjeron grandes prdidas humanas y
materiales. A 11 aos de este evento se contina con la investigacin con la finalidadde mitigar dicha amenaza. En este trabajo se realiz mediante ensayosexperimentales un anlisis de la variacin espacial y temporal del proceso desedimentacin que ocurre aguas arriba de las presas, la pendiente de equilibriomorfolgico y el estudio de las caractersticas del flujo bajo efectos de las presasabiertas con ranuras y con ventanas para distintas pendientes del cauce yconcentraciones de sedimentos del tipo arenas en el flujo, a travs de la utilizacin deun canal experimental. Se trazaron los perfiles de flujo y sedimento durante cadaexperiencia, se le hizo seguimiento al avance de la onda de sedimentacin hacia laspresas, con lo cual se calcul la variacin del volumen retenido en el tiempo y elvalor de la pendiente morfolgica de la onda de sedimentacin. Se obtuvo que la
pendiente de equilibrio para todos los ensayos correspondi a lo predicho por laexperiencia japonesa, encontrndose dentro del rango de y 2/3 de la pendienteoriginal del canal. De acuerdo al volumen retenido la presa con ventana retuvo mayorcantidad de sedimento total (gruesos y finos), mientras que la ranurada retuvo menosvolumen total pero ms partculas gruesas, lo cual permiti contrastar elfuncionamiento de ambas presas y obtener informacin valiosa que sirva para laplanificacin y el diseo de dichas obras.
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NDICE GENERALPg.
INTRODUCCIN 1
CAPTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3
1.1. OBJETIVOS 5
1.2.1. Objetivo General 5
1.2.2. Objetivos Especficos 5
CAPTULO II. MARCO TERICO 6
2.1. PRESAS DE CONTROL DE SEDIMENTOS 7
2.1.1. Presas cerradas 7
2.1.2. Presas abiertas 8
2.1.2.1. Presas con ranuras 9
2.1.2.2. Presas con ventanas 10
2.2. PENDIENTE DE COMPENSACIN(PRESAS CERRADAS) 11
2.2.1. Frmula de Romiti 11
2.2.2. Experiencia Japonesa 12
2.2.3. Experiencia Italiana 12
2.2.4. Experiencia Norteamericana 13
2.2.5. Luis Miguel Surez 13
2.2.6. Disminucin de la pendiente del cauce
(Takahashi, 1981; VanDine, 1996): 13
2.2.7. Ensayos realizados en laboratorio para
una presa ranurada. (Armanini y otros, 2001). 14
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2.3. PRESAS DE RETENCIN DE SEDIMENTOS
CONSTRUIDAS EN EL ESTADO. VARGAS 15
2.3.1 Comportamiento de las Presas construidasen el Estado Vargas (Lpez, Prez H., Courtel, 2010) 19
2.4. RGIMEN TORRENCIAL 20
2.5. TIEMPO DE CONCENTRACIN 20
2.6. CUENCA TORRENCIAL 20
2.7. CUENCAS TORRENCIALES MONTAOSAS 21
2.8. TORRENTE O TORRENTE DE MONTAA 21
2.9. RO TORRENCIAL 22
2.9.1. Parte de los ros torrenciales 22
2.9.1.1. Cuenca contribuyente 22
2.9.1.2. Garganta o cuello 23
2.9.1.3. Cono de deyeccin o abanico aluvial 23
2.10. ALUDES O FLUJOS TORRENCIALES 24
2.10.1. Medidas estructurales para la mitigacin
de la vulnerabilidad ante flujos torrenciales 25
2.11. TRANSPORTE DE SEDIMENTO (ACARREO) 25
2.11.1. Transporte individual y transporte de masa 26
2.12. ECUACIN DE MANNING PARA FLUJO UNIFORME 28
2.13. NMERO DE FROUDE 28
CAPTULO III. MARCO METODOLGICO. 29
3.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 31
3.1.1. Acondicionamiento del canal 313.1.1.1. Modificacin del material del lecho del canal 31
3.1.1.2. Modificacin del sistema de recirculacin 32
3.1.2.Eleccin del material a utilizar como sedimento. 32
3.1.3.Elaboracin de las presas en lmina de acrlico 33
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3.2.INSTRUMENTACIN 33
3.3. INSTALACIN Y ACONDICIONAMIENTO DE TOLVA 35
3.4. EXPERIMENTOS REALIZADOS 36
3.5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS 393.5.1. Medicin de los perfiles de flujo
y la onda de sedimentos 39
3.5.2. Clculo de las profundidades del flujo
a lo largo del tramo medido. 41
3.5.3. Clculo de las variables hidrulicas. 41
3.5.4. Clculo del Volumen de la onda de sedimento 42
3.5.5. Clculo de la pendiente del cuerpo de la onda. 43
CAPTULO IV. RESULTADOS Y ANLISIS 44
4.1. ENSAYO #1. PRESA RANURADA
(So=5%, Qs=2.82L/min) 45
4.2. ENSAYO #2. PRESA CON VENTANA
(So=5%, Qs=2.82L/min) 55
4.3. ENSAYO #3. PRESA RANURADA
(So=7.5%, Qs=2.82L/min) 62
4.4. ENSAYO #4. PRESA CON VENTANA
(So=7.5%, Qs=2.82L/min) 69
4.5. ENSAYO #5. PRESA RANURADA
(So=7.5%, Qs=5.64L/min) 75
4.6. ENSAYO #6. PRESA CON VENTANA(So=7.5%, Qs=5.64L/min) 81
4.7. ENSAYO #7. PRESA RANURADA
(So=10%, Qs=2.82L/min) 87
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4.8. ENSAYO #8. PRESA CON VENTANA
(So=10%, Qs=2.82L/min) 93
4.9. ENSAYO #9. PRESA RANURADA
(So=10%, Qs=5.64L/min) 99
4.10. ENSAYO #10. PRESA CON VENTANA
(So=10%, Qs=5.64L/min) 105
4.11. OBSERVACIONES GENERALES 111
4.11.1.Anlisis de las Granulometras 113
4.12. COMPARACIN DE RESULTADOS 114
CONCLUSIONES 115
RECOMENDACINES 118
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 119
BIBLIOGRAFA 120
ANEXOS 122
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NDICE DE FIGURAS
Pg.
Figura 2.1.Bateras de Presas Cerradas y con ventanasen el cauce del Ro Nojiri, Sakurajima, Japn. 6
Figura 2.2. Vistas desde aguas abajo de la Presa Guanapeen dos diferentes pocas: despus de finalizada laconstruccin en Mayo 2001 y Despus de lacreciente de Diciembre 2001 derecha a izquierda. 10
Figura 2.3 Presa de Ventana en Venezuela funcionandoen condiciones hidrulicas normales. 10
Figura 2.4. corte vertical del vortice formado en las cercanias de la presa 14
Figura 2.5. Lneas de corriente en las cercanas de la presa 15
Figura 2.6 localizacin esquemtica de las presas construidasen el Estado Vargas 18
Figura 2.7. Comparacin de los perfiles de sedimentacin
del cauce de la Quebrada Piedra Azul en los tramosaguas arriba de las presas 19
Figura 2.8. Partes de un ro torrencial. 24
Figura 2.9. Diagrama esquemtico de una onda tpica de alud torrencial 27
Figura 3.1. Esquema del canal experimental junto al sistema de recirculacin 29
Figura 3.2. Tanques de almacenamiento de agua y parte posterior del canal. 30
Figura 3.3. Modificaciones realizadas al canal experimental 31
Figura 3.4. Modelo de presas utilizadas en la realizacin de los ensayos. 33
Figura 3.5. Tolva para la administracin del sedimento 36
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Figura 3.6.Esquema de los ensayos realizados paradistintas pendientes y caudal slido 36
Figura 3.7. Procedimiento de vectorizacin de los perfiles en unsoftware de dibujo asistido por computador. 40
Figura 4.1. Ondulaciones en la superficie libre del agua 48
Figura 4.2. Desplazamiento del Resalto 49
Figura 4.3 Lneas de corriente del flujo (izquierda).
Vrtice vertical aguas arriba de la presa (derecha). 111
Figura 4.4. Vista Superior luego de finalizado el experimento 112
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NDICE DE TABLAS
Pg.
Tabla 1.1. Inventario de presas ubicadas en el Estado Vargas 17
Tabla 3.1. Total Perfiles extraidos de los Ensayos 40
Tabla 4.1. Ensayo #1. Caractersticas generales para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min). 45
Tabla 4.2. Ensayo #1 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=5%, Qs= 2.82L/min. ) 46
Tabla 4.3. Ensayo #2. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.). 55
Tabla 4.4. Ensayo #2 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana( S=5%, Qs= 2.82L/min. ) 56
Tabla 4.5. Ensayo #3. Caractersticas generales para la presaranurada ( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ). 62
Tabla 4.6. Ensayo #3. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ) 63
Tabla 4.7. Ensayo #4. Caractersticas generalespara la presacon ventana ( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ). 69
Tabla 4.8. Ensayo #4 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana( S=7.5%, Qs= 2.82L/min) 70
Tabla 4.9. Ensayo #5. Caractersticas generales para la presaranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 75
Tabla 4.10. Ensayo #5. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=7.5%, Qs= 5.64L/min. ) 76
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Tabla.4.11. Ensayo #6. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 81
Tabla 4.12. Ensayo #6. Evolucin de la onda de sedimentacin
para diferentes instantes para una presacon ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 82
Tabla 4.13. Ensayo #7. Caractersticas generales para la presaranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min) 87
Tabla 4.14 Ensayo #7. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada(S=10%, Qs= 2.82L/min) 88
Tabla 4.15. Ensayo #8. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=10%, Q
s= 2.82L/min) 93
Tabla 4.16. Ensayo #8. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana(S=10%, Qs= 2.82L/min) 94
Tabla 4.17. Ensayo #9. Caractersticas generales para la presaranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 99
Tabla 4.18. Ensayo #9. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada(S=10%, Qs= 5.64L/min) 100
Tabla 4.19. Ensayo #10. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 105
Tabla 4.20. Ensayo #10. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana(S=10%, Qs= 5.64L/min) 106
Tabla 4.21. Cuadro resumen de los ensayos realizados 114
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NDICE DE GRFICOS
Pg.
Grfico 3.1 Granulometra del material utilizado como caudal slido. 32
Grfico 4.1. Ensayo #1 Condiciones iniciales del flujo parala presa ranurada ( S=5%, Qs= 2.82L/min.) 47
Grfico 4.2. Ensayo #1, Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 51
Grafico.4.3. Ensayo #1. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 52
Grfico 4.4. Ensayo #1. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 54
Grfico 4.5. Ensayo #2 Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana ( S=5%, Qs= 2.82L/min). 57
Grfico 4.6. Ensayo #2. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 59
Grafico 4.7. Ensayo #2. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 60
Grfico 4.8. Ensayo #2. Variacin del volumen del delta desedimentacin en el tiempo durante el experimento
para la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 61
Grfico 4.9. Ensayo #3 Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min). 64
Grfico 4.10. Ensayo #3. Evolucin de la onda de sedimento
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para la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 66
Grfico 4.11. Ensayo #3. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 67
Grfico 4.12. Ensayo #3. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 68
Grfico 4.13. Ensayo #4. Condiciones iniciales del flujo
para la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min). 71
Grfico 4.14 Ensayo #4, evolucin de la onda de sedimento
para la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 72
Grfico 4.15. Ensayo #4. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 73
Grfico 4.16 Ensayo #4. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 74
Grfico 4.17. Ensayo #5. Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 77
Grfico 4.18. Ensayo #5, Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 78
Grfico 4.19 Ensayo #5. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 79
Grfico 4.20. Ensayo #5. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 80
Grfico 4.21. Ensayo #6. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 83
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Grfico 4.22. Ensayo #6. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 84
Grfico 4.23. Ensayo #6. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 85
Grfico 4.24. Ensayo #6. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 86
Grfico 4.25. Ensayo #7. Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min) 89
Grfico 4.26 Ensayo #7. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 90
Grfico 4.27. Ensayo #7. Proceso de sedimentacinaguas arriba para la presa ranurada.(S=10%, Qs= 2.82L/min) 91
Grfico 4.28 Ensayo #7. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min.) 92
Grfico 4.29. Ensayo #8. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min) 95
Grfico 4.30. Ensayo #8. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 96
Grfico 4.31. Ensayo #8. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min) 97
Grfico 4.32. Ensayo #8. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimento
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xvii
para la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min.) 98Grfico 4.33. Ensayo #9. Condiciones iniciales del flujo
para la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 101
Grfico 4.34. Ensayo #9. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 102
Grfico 4.35. Ensayo #9. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 103
Grfico 4.36. Ensayo #9. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 104
Grfico 4.37. Ensayo #10. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 107
Grfico 4.38. Ensayo #10. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 108
Grfico 4.39 Ensayo #10. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 109
Grfico 4.40. Ensayo #10. Variacin del volumen del delta
de sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min.) 110
Grfico 4.41. Granulometras efectuadas posterior a los ensayos 113
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1
INTRODUCCIN
En diciembre de 1999, el pas sufri una de las tragedias naturales ms grandeen su historia, un evento de precipitaciones extremas ocurrido en el Estado Vargas
produjo la desestabilizacin geomorfolgica de los cauces y de los taludes de las
vertientes de las cuencas hidrogrficas, con el consecuente desprendimiento de
grandes cantidades de sedimento, que sumadas a los grandes caudales alcanzados en
los ros de la regin originaron extraordinarios flujos torrenciales que llegaron a los
abanicos aluviales donde se encontraban establecidos grandes centros poblacionales
produciendo as incosteables prdidas humanas y materiales. En los aos siguientes a
la tragedia, se implementaron diversas medidas estructurales y no estructurales
enfocadas a la mitigacin del riesgo de las poblaciones, entre estas medidas
estructurales estuvo la construccin de presas abiertas con ranuras y con ventanas con
la finalidad de controlar el sedimento durante las crecientes.
Las presas abiertas con ranuras y con ventanas tienen la ventaja de permitir la
retencin del sedimento de forma parcial, bien sea reteniendo los fragmentos msgruesos de estos o reteniendo temporalmente los sedimentos producidos durante los
eventos de gran magnitud que son los que podran ocasionar destrozos, permitiendo
mantener la mecnica de transporte de sedimentos de los cursos de agua durante las
condiciones ordinarias de la manera ms natural posible tratando de no afectar el
equilibrio natural de los cauces.
En la actualidad, diversos investigadores han sentido la necesidad de estudiar
las caractersticas del funcionamiento de las presas abiertas con ranuras y con
ventanas con la finalidad de mejorar los criterios para el diseo de dichas obras, o
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19/213
INTRODUCCIN
2
bien para labores de evaluacin del desempeo de las presas ya construidas, con el
objeto de reducir al mximo el riesgo ante los flujos torrenciales.
Cabe destacar que la amenaza de los flujos torrenciales no se limita al Estado
Vargas, numerosos centros urbanos localizados en zonas montaosas, como lo son
los ubicados a lo largo y en ambas vertientes de la cordillera de la costa y en los
Andes, tambin cuentan con cauces naturales que implican alto riesgo y amenaza
ante aludes torrenciales.
Tomando en cuenta lo anterior, y como una significativa contribucin a
estudios existentes sobre el comportamiento hidrulico de estas estructuras se
propuso realizar mediante una serie de ensayos de laboratorio utilizando un modelo
fsico a escala reducida (canal de pendiente variable ubicado en el edificio
laboratorio de Hidrulica de la Escuela de Ingeniera Civil de la Universidad Central
de Venezuela) el anlisis del comportamiento de las presas abiertas tipo ranurada y
con ventana ante el flujo con sedimento.
El presente Trabajo Especial de Grado se encuentra enmarcado en el proyecto
EVALUACIN DE OBRAS DE CONTROL DE ALUDES TORRENCIALES Y
DEL COMPORTAMIENTO DEL FLUJO EN SUS PROXIMIDADES N G-
2005000507 del FONACIT, cont con el apoyo y financiamiento de este distinguido
organismo, as como con toda colaboracin aportada por el equipo de investigadores
y tcnicos del Instituto de Mecnica de Fluidos de la Universidad Central deVenezuela
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20/213
3
CAPTULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La zona costera central de Venezuela, especficamente el Litoral Central est
bordeada de una cadena montaosa llamada Cordillera de la Costa que forma parte
del Estado Vargas. Por la presencia de esta cordillera, Vargas cuenta con una serie de
cuencas torrenciales que drenan las aguas de la vertiente norte de la cordillera hacia el
mar Caribe; entre ellas, Mamo, La Zorra, Tacagua, Las Pailas, Curucuti, Piedra Azul,
Osorio, Germn, Cariaco, Guanape, Alcantarilla, San Jos de Galipn, El Cojo,
Camur Chico, San Julin, Quebrada Seca, Cerro Grande, Uria, El Tigrillo, Naiguat,
Camur Grande, Anare y Care. La mayora alberga centros poblados en sus conos de
deyeccin.
Cuando estas cuencas torrenciales son sometidas a largos perodos de
precipitacin, se generan deslizamientos que pueden transformar las crecidas de los
cauces en aludes torrenciales (Debris flow), que finalmente llegarn a los abanicos
aluviales, donde se encuentran los asentamientos urbanos. Eventos como el descrito
han ocurrido en el Litoral Central en repetidas ocasiones a lo largo de la historia,
como es el caso de los ocurridos en Febrero de los aos 1798 y 1951, uno de los ms
recientes ocurri en Venezuela en Diciembre de 1999 causando uno de los peores
desastres de origen natural en Amrica Latina, arrasando con poblaciones enteras quese haban asentado a lo largo del litoral costero en el Estado Vargas;
aproximadamente 15.000 personas perdieron la vida y las prdidas materiales
superaron los 4 mil millones de dlares (Lpez, 2007). Una aproximacin ms
reciente difiere en la cifra de muertes, concluyendo que las muertes producidas
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CAPTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
4
difcilmente superan las 700 vctimas (Altez, en Lecciones aprendidas en el Desastre
de Vargas, 2010).
Como medida estructural para la mitigacin de los daos que produce este
tipo de eventos de lluvias torrenciales, se emplea la construccin de obras disipadoras
de energa sobre el cauce de los ros, entre stas, las presas abiertas con ranuras y con
ventana que permiten controlar un cierto tipo de sedimento del flujo. Luego de los
eventos de Diciembre de 1999, se elabor un plan de construccin de presas de
retencin de sedimentos en distintas quebradas, quedando como prueba de su
funcionamiento los eventos de febrero de 2005, que aunque no fueron de la misma
magnitud a los de 1999 en cuanto a precipitacin y cantidad de material slido en
transporte, produjeron crecientes de importancia que pusieron en evidencia el
comportamiento hidrulico de este tipo de estructuras.
El presente Trabajo Especial de Grado involucra el modelaje fsico en un
canal experimental y el estudio de las caractersticas del flujo bajo efectos de las
presas abiertas con ranuras y con ventanas para distintas pendientes del cauce y
concentraciones de sedimentos en el flujo lo cual permitir contrastar el
funcionamiento de ambas presas y obtener informacin valiosa que sirva para la
planificacin y el diseo de dichas obras.
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CAPTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
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1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo General:
Evaluar mediante ensayos experimentales en modelos fsicos a escala reducida el
funcionamiento de las presas con ventana y con ranura para el control de sedimento
en ros de montaa.
1.2.2. Objetivos Especficos:
1-Simular en el laboratorio el comportamiento de las presas de control de sedimento
que se estn construyendo actualmente en el estado Vargas.
2-Calcular la pendiente de equilibrio morfolgico aguas arriba de las presas con
ranura y con ventana para diferentes condiciones de pendiente del lecho y caudal
slido.
3-Analizar la variacin espacial y temporal del proceso de sedimentacin que ocurre
aguas arriba de las presas.
4-Contrastar el desempeo de ambas presas, con ranura y con ventana, para las
diferentes condiciones de pendiente del lecho y caudal slido en el control de
sedimento.
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CAPTULO II
MARCO TERICO
En diversas regiones del mundo donde se presentan habitualmente flujos con
grandes cantidades de sedimentos que ocasionan problemas a las poblaciones se ha
concretado acciones para mitigar los efectos. En 1897 en Japn se cre la primera ley
(Sabo Law) que oblig a buscar medidas para controlar estos flujos, lo que dio lugar
al establecimiento de organizaciones dedicadas especficamente a esta rea.
Figura 2.1.Bateras de Presas Cerradas y con ventanas en el cauce del Ro Nojiri, Sakurajima, Japn. [1]
Para mitigar el riesgo ante flujos torrenciales se emplean medidas
estructurales y no estructurales, las primeras que son el centro de atencin de ste
trabajo especial de grado, buscan la intervencin del cauce con la finalidad de
manejar los sedimentos arrastrados por el flujo en algunas de sus tres fases: origen,
transporte y deposicin.
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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Entre las medidas estructurales de control de sedimentos en la fase de
transporte se encuentran las presas de control de sedimentos.
2.1 PRESAS DE CONTROL DE SEDIMENTO
Son barreras colocadas de manera transversal al flujo en los cauces para
retener y controlar los sedimentos transportados por la corriente. Estas estructuras se
construyen normalmente en las gargantas de los torrentes o en las desembocaduras de
sus principales afluentes, donde las pendientes son pronunciadas por lo que el flujo
presente es de carcter supercrtico, las presas cumplen la funcin de un control
hidrulico produciendo un cambio en el rgimen del flujo a subcrtico, reduciendo la
capacidad de arrastre de sedimento del flujo aguas arriba de la presa.
Las presas de control de sedimento se clasifican de acuerdo a la forma en que dejan
pasar el flujo en presas cerradas y abiertas.
2.1.1. Presas cerradas
Como su nombre lo indica, consisten en una muralla continua que sirve de
control para el flujo obligndolo a salir por su parte ms alta, comnmente por un
vertedero hidrulicamente calculado para evitar el colmatado de la presa. Las presas
cerradas interceptan la mayor porcin de material arrastrado, exceptuando las
partculas ms finas que pasan cuando las crecientes desbordan la presa.
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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2.1.2. Presas abiertas
Segn Lpez, Falcn y Prez-Hernndez (2006) son presas que se
construyen con aberturas en el cuerpo de la estructura y cumplen el objetivo de
seleccionar el material slido, reteniendo las fracciones ms gruesas y dejando pasar
a las ms finas. Las presas abiertas pueden mantener por perodos ms largos de
tiempo intacta su capacidad de almacenamiento, adems de reducir los impactos
erosivos del tramo aguas abajo de la presa al no impedir de manera brusca el
transporte de slidos. Si las aberturas son lo suficientemente grandes, los eventos
ordinarios no deberan reducir su capacidad de almacenamiento, dejando a la
estructura disponible para eventos extraordinarios.
Mediante la retencin selectiva de los slidos de mayor tamao se logra una
serie de ventajas que caracterizan el funcionamiento de las presas abiertas (Surez,
1993).
El volumen del embalse se utiliza en forma ptima, al retener en l los
materiales slidos de mayores dimensiones, que son los que causan los
mayores daos a la infraestructura existente aguas abajo.
Los materiales de tamaos medios y finos quedan depositados temporalmente
en el embalse debido al remanso que se produce como efecto de la retencin
del flujo por la presa. Al ceder la creciente, stos materiales son arrastrados
gradualmente aguas abajo a travs de las aberturas de la presa, con lo que se
evita que el flujo tenga una concentracin excesiva de sedimentos durante el
pico de la misma. Los slidos ms voluminosos no pueden pasar por las
aberturas de la presa y en consecuencia quedan retenidos.
Los cuerpos flotantes voluminosos tales como rboles, troncos y ramas
quedan retenidos, con lo cual se evita que los mismos se traben en los puentes
existentes aguas abajo o en sitios estrechos del cauce, represando el flujo.
Posteriormente al romperse la barrera, podra ocurrir una creciente de peores
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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consecuencias que las naturales. Adems, la obstruccin tambin podra dar
origen a desbordamientos e inundaciones aguas arriba de la misma.
Al permitir el trnsito aguas abajo de los sedimentos medios y finos estaspresas no causan efectos de degradacin importantes en el cauce, ni producen
efectos notables de erosin (retroceso) en las playas fluviales, lacustre y
martimas, cuyo equilibrio est afectado por el caudal slido transportado por
el ro o torrente.
El tramo aguas arriba de la presa se va colmatando gradualmente con los
materiales slidos ms voluminosos, por lo que el relleno es altamente
permeable. Una fraccin importante del caudal aportado por la cuenca se
infiltra en el sedimento, propiciando un flujo subterrneo beneficioso para la
estabilidad del torrente.
Efectividad en la detencin de los aludes torrenciales, debido a que estas
presas toman un tiempo mayor para colmatarse que las cerradas. De esta
manera, mantienen su proteccin por ms tiempo. Al separar el agua de los
slidos mayores, producen una gran disipacin de la energa de la masa
fluyente.
Dentro de las presas abiertas se distinguen dos tipos, con ranuras y con ventanas.
2.1.2.1. Presas con Ranuras:
Son presas formadas por hendiduras estrechas que llegan o se acercan al fondo
del cauce, las aberturas alcanzan la cresta de la presa,( ver figura 2.2). Se puede
considerar a la presa como dividida por las ranuras en varios elementos de gravedad.
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Figura 2.2 Vistas desde aguas abajo de la Presa Guanape en dos diferentes pocas: despus definalizada la construccin en Mayo 2001 y Despus de la creciente de Diciembre 2001 de derecha a
izquierda.[3](Tomada por: El Instituto de Mecnica de los Fluidos).
2.1.2.2. Presas con Ventanas:
Son presas que presenta una o varias aberturas cuadradas, rectangulares o
circulares en la parte central bajo el vertedero, la abertura no alcanza la cresta, (ver
figura 2.3). El tamao de las aberturas es funcin del dimetro de los peones que se
deseen retener.
Figura 2.3. Presa de Ventana en Venezuela funcionando en condiciones hidrulicas normales.[2]
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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2.2 PENDIENTE DE COMPENSACIN
Cuando las presas cerradas estn completamente colmatadas han conseguido
disminuir la pendiente original del cauce, a la nueva pendiente se le llama pendientede compensacin.
A juicio de Surez (1993), resulta prcticamente imposible efectuar un clculo
preciso de la pendiente de compensacin, a causa de la gran cantidad de variables
involucradas en todos los problemas relativos en todos los problemas relativos a los
cauces naturales con presencia de transporte de slidos, por lo que es preferible para
el ingeniero proyectista utilizar frmulas y mtodos empricos, basados en la
medicin de las pendientes antes y despus de construidas las presas de correccin
torrencial, utilizando un nmero pequeo de variables de correlacin, lo que permite
obtener resultados confiables, garantizados por la verificacin en numerosas
experiencias reales de campo, lo cual es lo que requiere el ingeniero en busca de
soluciones prcticas.
Seguidamente se exponen cuatro mtodos de estimacin de la pendiente de
compensacin, basados en mediciones de campo.
2.2.1. Frmula de Romiti
La pendiente de compensacin SCviene expresada por:
22
max
3
5,113
1
CC
C
b
b
d
d
ss
s
S
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Siendo:
S: Pendiente original del cauce de la presa.
dmax: tamao mximo de las partculas del cauce(m).
dC: tamao mximo comn (d50) de las partculas del cauce(m).b: Ancho original del cauce en creciente (m).
bC: Ancho original del cauce en creciente despus de la colmatacin de la presa
(m).
El inconveniente que presenta la utilizacin de esta frmula es la
determinacin de dmax y de cuyos valores afectan de una manera importante el
resultado, y estn sujetos al criterio personal de evaluacin del calculista.
2.2.2. Experiencia Japonesa
La experiencia Japonesa en las labores de correccin de cauces torrenciales,
permite estimar la pendiente de compensacin de la manera siguiente:
3
2
2
1
C
Siendo:
: Angulo correspondiente a la pendiente original()
c: Angulo correspondiente a la pendiente del cauce()
2.2.3. Experiencia Italiana
Segn la experiencia Italiana, basada en la medicin de la pendiente decompensacin en una serie de torrentes, se tiene que:
SSC
66.0
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2.2.4. Experiencia Norteamericana
En los Estados Unidos, con base en las observaciones de campo, se
recomienda utilizar:
2.2.5. Luis Miguel Surez:
Recomienda estimar el valor de la pendiente de equilibrio de una manera
prctica utilizando la ecuacin:
SSC
65.0
Siendo:
S: Pendiente original del cauce de la presa.
Sc: Pendiente de compensacin.
2.2.6. Disminucin de la pendiente del cauce (Takahashi, 1981; VanDine, 1996):
Observaciones en campo indican que existe un cierto valor lmite de la
pendiente para la cual una masa de detritos, constituida por partculas gruesas
suspendidas en una matriz de finos y agua, tiende a depositar. Takahashi estudi la
deposicin de flujos detrticos debido al cambio brusco de pendiente sin expansin
del cauce. Ellos consideraron la diferencia de momentum de la cabeza del flujo en elcanal de aguas abajo (el de menor pendiente) obteniendo una condicin para la
detencin del frente del flujo.
SSC
70.0
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tan ( )( ) tan
Siendo:: La densidad de la fraccin fluida de la mezcla (agua y finos).: La densidad de los Slidos.tan : La pendiente de compensacin de una masa de detritos de concentracinuniforme.: El ngulo de friccin interna de las partculas (para material granular biengraduado vale 30) (Takahashi, 1981).
: La concentracin volumtrica de los slidos (sin incluir los finos).2.2.7. Ensayos realizados en laboratorio para una presa ranurada. (Armanini y
otros, 2001).
En experimentos realizados en un canal experimental en presencia de flujo
con sedimento para una presa ranurada se obtuvo como resultado que el rgimen del
flujo se presenta con los siguientes esquemas que corresponden a las vistas de planta
y perfil del canal y la presa.
Figura 2.4. Corte vertical del vrtice formado en las cercanias de la presa
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Figura 2.5.lneas de corriente en las cercanas de la presa
Se encontr que el sedimento se deposita aguas arriba de la presa formando el
delta de sedimento, esto se debe a una disminucin de la capacidad de transporte del
flujo producto de la prdida de energa originada por la contraccin fuerte que
representa la ranura, con lo que se generan dos vrtices verticales simtricos que se
ven en las figuras 2.4 y 2.5.
2.3. PRESAS DE RETENCIN DE SEDIMENTOS CONSTRUIDAS EN EL
ESTADO VARGAS
En el ao 2000 se crea el Instituto Autnomo Corporacin para la
Recuperacin y Desarrollo del Estado Vargas (CORPOVARGAS), adscrito al
Ministerio de Planificacin y Desarrollocon el objeto general de promover, ejecutar,
financiar y coordinar proyectos y programas de naturaleza fsico ambiental,
econmica y social para lograr la recuperacin y desarrollo del Estado Vargas,afectado por la catstrofe natural ocurrida en diciembre de 1999. Lo que impuls al
diseo y ejecucin de presas abiertas y cerradas para las cuencas y sub cuencas
afectadas.
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Se ha realizado un inventario de las presas construidas en Vargas hasta la
fecha, cuyas principales fuentes de informacin han sido un mapa base de 1:10000
perteneciente al Instituto de Mecnica de Fluidos (IMF) de la Universidad Central de
Venezuela, informacin recopilada de la pgina web de CORPOVARGAS y elprograma similar a un sistema de informacin geogrfica Google Earth. Estas fuentes
han sido comparadas y se muestran sus principales caractersticas en la Tabla 1.
Cabe destacar que de las 62 presas identificadas, 34 son del tipo cerradas y 26
del tipo abiertas, cuarenta y tres (43) de las presas son de gavin, catorce (14) de
concreto, tres (3) de acero y dos (2) de malla. La altura de las presas vara entre un
mnimo de 4 m y un mximo de 11 m (Lpez, 2007).
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Tabla 1.1. Inventario de presas ubicadas en el Estado Vargas
Fuentes en que fueron ubicadas
Cauce
Nmero
dePresas Cerradas Abiertas Tipo de Material
Mapa Base1:10000
proporcionadopor el IMF
Sitio web de
Corpovargas
earth
Mamo (en losafluentes Qda.El Tigre y Qda.
El Pozo)
2 2 0 Gavin (2) 2 2 2
El Piache(afluente delRo Mamo)
1 1 0 Gavin (1) 1 1 1
La Zorra 1 1 0 Gavin (1) 1 1 1
Tacagua 3 1 2Acero (2),Gavin (1)
3 3 1
Las Pailas 4 1 3
Gavin (1),Concreto
ciclpeo (2),
Tubular Acero(1)
4 3 2
Curucuti 4 3 1Gavin (3),Concreto
ciclpeo (1)4 4 2
Piedra Azul 3 2 1 Gavin (3) 3 3 3Dos Comadres(afluente roPiedra Azul)
2 0 2 Gavin (2) 2 2 0
Osorio 4 2 2Gavin (2)Malla (2)
4 2 1
German 2 0 2Concreto armado
(2)2 2 0
Cariaco 2 0 2Concreto armado
(2)2 2 2
Guanape 1 0 1Concreto armado
(1) 1 1 0Alcantarilla 7 7 0 Gavin (7) 7 2 6
San Jose deGalipan 2 1 1
Gavin (1),Concreto armado
(1)2 2 2
El Cojo 2 1 1 Gavin (2) 2 2 2Camuri Chico 1 0 1 Gavin (1) 1 1 1
San Julin 3 0 3Concreto armado
(3)3 3 3
Quebrada Seca 4 4 0 Gavin (4) 4 2 2Cerro Grande 2 2 0 Gavin (2) 2 2 2
El Tigrillo 2 2 0 Gavin (2) 2 2 1
Naiguat 1 0 1Concreto
ciclpeo (1)1 1 1
Camur Grande 3 2 1 Gavin (3) 3 1 3Migueleno(afluente de
Camur Gnde.)3 2 1 Gavin (3) 3 0 3
Care 1 0 1 Gavion(2) 1 1 1
Anare 2 2 0Concreto
ciclpeo (1)2 2 1
TOTAL: 62 36 26Gavin (43),
Concreto (14),Acero (3), Malla(2)
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Figura 2.6 localizacin esquemtica de las presas construidas en el Estado Vargas
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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2.3.1 Comportamiento de las Presas construidas en el Estado Vargas
(Lpez, Prez H., Courtel, 2010)
En labores realizadas en Campo se llev a cabo el levantamiento de los
perfiles del cauce y estudios de la granulometra del material depositado en los tramos
aguas arriba de las presas en diferentes torrentes del Estado Vargas, En abril de 2007
en las quebradas Curucut, Piedra Azul, Alcantarilla, San Jos de Galipn y El Cojo;
en mayo de 2008 se repite la labor en las cuencas de Alcantarilla, San Jos de
Galipn, Camur chico, San Julin y Camur Grande, dejando constatado el
funcionamiento de los diferentes tipos de presa construidos. En la Figura2.7 se
observa la notable variacin del lecho aguas arriba de las presas #1 y # 2 del tipo
cerradas ubicadas en el cauce de la Quebrada Piedra Azul, donde la sedimentacin
gener una nueva pendiente inferior a la original del lecho, la presa #3 corresponde a
una presa ranurada y para la cual no se present gran cantidad de material retenido
durante la visita en presencia de un gasto ordinario.
Figura 2.7Comparacin de los perfiles de sedimentacin del cauce de la Quebrada Piedra Azul en lostramos aguas arriba de las presas.
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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2.4. RGIMEN TORRENCIAL
Se le llama rgimen torrencial de un curso de aguas al comportamiento
irregular de su caudal, seco durante la mayor parte del tiempo y con crecidas
violentas y destructivas en ciertos eventos aislados.
2.5. TIEMPO DE CONCENTRACIN
Es el tiempo en que tarda una gota de agua en recorrer el trayecto desde el
punto ms alejado de la cuenca hasta el punto considerado, llamado tambin sitio de
concentracin o sitio de clculo, el tiempo de concentracin depende de la longitud
mxima que debe recorrer el agua hasta la salida de la cuenca, y de la velocidad
promedio que adquiere el flujo a lo largo del recorrido dicha velocidad es funcin de
las pendientes del terreno y de los cauces, as como de la rugosidad superficial.
El tiempo de concentracin puede ser calculado como la suma de dos trminos
Siendo:: el tiempo de concentracin superficial correspondiente a la escorrenta en lasladeras y planicies hasta alcanzar el curso de agua ms cercano.
:: el tiempo de viaje a travs de los cauces.
2.6. CUENCA TORRENCIAL
Es una cuenca con respuesta muy sensible a las precipitaciones por lo que se
caracteriza por tener crecidas de gran intensidad y poca duracin.
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2.7. CUENCAS TORRENCIALES MONTAOSAS
Las cuencas formadas en zonas montaosas con laderas de gran pendiente son
un tipo de cuenca torrencial, debido a su poca extensin y corto tiempo de
concentracin lo que hace que alcancen el mximo de su creciente an en tormentas
no muy duraderas.
Por lo general los efectos geomorfolgicos involucrados en este tipo de
orogenia se caracterizan por la presencia de material fragmentado, grandes peones,
grava y material ptimo para alimentar con slidos a los cauces por lo que
comnmente estn muy predispuestas a la erosin.
Debido a las caractersticas anteriores, dichas cuencas acarrean un elevado
transporte de sedimentos o de material slido en sus cursos de agua durante sus
crecientes.
Una cuenca torrencial puede ser una cuenca de montaa como tambin una
cuenca en lugares de desiertos. En el presente trabajo se utilizar el trmino torrencial
haciendo referencia a las cuencas y ros de montaa ya que estos son el objeto de
estudio.
2.8. TORRENTE O TORRENTE DE MONTAA
Los torrentes son cursos de agua de zonas montaosas que se caracterizan por
tener fuertes pendientes longitudinales mayores al 5%, las cuales son irregulares. Los
cauces de los torrentes estn formados por materiales gruesos, peones, cantosrodados, grava y arena, entremezclados. En ellos predomina el arrastre de fondo sobre
el transporte en suspensin.
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2.9. RIO TORRENCIAL
Existe una categora intermedia entre ros y torrentes conocida como ros
torrenciales para indicar que se trata de un caso intermedio o de una transicin entre
ambos. Los ros torrenciales suelen presentarse en las zonas de piedemonte, donde los
torrentes depositan sus sedimentos, se suaviza la pendiente y comienzan a aparecer
las caractersticas fluviales.
Los ros torrenciales presentan cauces mltiples (trenzados) que se
entrecruzan y cambian de posicin constantemente. El material de lecho es grueso,
formado por grava, cantos rodados y arena. La seccin es muy irregular y cambiante.
En general un curso de agua comienza siendo un torrente en la zona
montaosa, pasa a la categora de ro torrencial en el piedemonte y se transforma en
ro en la planicie aguas abajo. De un modo global se puede decir que poseen cuencas
hidrogrficas poco extensas y muy pendientes, lo que produce una respuesta rpida a
las precipitaciones localizadas sobre ellas. Las crecidas son violentas y de corta
duracin (horas).
2.9.1. Partes de los ros torrenciales
2.9.1.1. Cuenca contribuyente
Es la parte ms alta y ms extensa del torrente, tiene una forma semejante a la
de un embudo y en ella se capta la mayor parte del flujo proveniente de las
precipitaciones. La mayor parte de los sedimentos transportados por el torrente
proviene de la cuenca, ya que en ella predomina la erosin, la profundizacin,
ensanchamiento y ramificacin de los cauces.
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2.9.1.2. Garganta o cuello
Generalmente est constituida por un cauce encajonado y profundo, situado
aguas abajo de la cuenca receptora. La pendiente suele ser muy elevada y variable,
aunque menor que la de los cauces ramificados de la cuenca. El presente trabajo se
enmarca en las condiciones en esta parte del ro torrencial por lo que a continuacin
se detallan sus caractersticas.
Caractersticas de la garganta:
Las velocidades del flujo en creciente son muy altas.
Este tramo identifica lo que comnmente se denomina el torrente.
La garganta tiene longitud muy variable, desde cero, hasta varios
kilmetros en algunos casos.
El punto que identifica el comienzo de la garganta, se caracteriza por
corresponder al estrechamiento de la cuenca y porque aguas abajo de
este punto no existen afluentes importantes.
El punto donde termina la garganta, corresponde al comienzo del cono
de deyeccin.
En la garganta predomina el transporte de los materiales, el cual a suvez puede originarse de los procesos de erosin en el lecho y en las
mrgenes.
2.9.1.3. Cono de deyeccin o abanico aluvial
El torrente al desembocar en la planicie disminuye su pendiente, la corriente
disminuye de velocidad y se produce la sedimentacin de los materiales
transportados. Tiene una pendiente uniforme desde el pice hasta el borde final. Las
poblaciones suelen asentarse en estas reas.
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Figura 2.8 Partes de un ro torrencial.[4]
2.10 ALUDES O FLUJOS TORRENCIALES
Los eventos de precipitaciones de gran duracin y gran intensidad sobrecuencas torrenciales producen erosin y deslizamientos de laderas producto de la
saturacin de los suelos que reduce su estabilidad hasta el punto de ceder ante la
fuerza de gravedad. El colapso de estas grandes masas de suelo y roca puede dar
origen a la saturacin del flujo en los cauces produciendo los llamados aludes
torrenciales, que pueden estar constituidos por agua, barro, rocas, restos de
vegetacin, restos de materiales y desperdicios u objetos producidos por la
civilizacin.
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2.10.1 Medidas estructurales para mitigacin de la vulnerabilidad ante flujos
torrenciales
Las obras dedicadas a la mitigacin utilizadas bsicamente son:
Obras de control de erosin y estabilizacin de laderas en la cuenca
tributaria con la finalidad de estabilizar sus taludes y disminuir el volumen
de los deslizamientos.
Obras de estabilizacin de cauces, orientadas a disipar la energa del flujo
y disminuir la capacidad de transporte de slidos en las ramificaciones de
cauces en la parte baja de la cuenca receptora.
Obras de control y retencin de sedimentos, en las que se centra el estudiodel presente trabajo, constituidas en la zona de la garganta o rio torrencial
y principalmente con la finalidad de mitigar el volumen final de material
transportado por el flujo el cual es la amenaza principal que da origen a las
tragedias.
Y finalmente Obras de canalizaciones, establecidas en el resto del cauce
sobre el cono de deyeccin hasta el delta y desembocadura del rio
torrencial.
Aunque existen numerosas obras de control de sedimentos cada una
consecuentemente utilizada por la humanidad en diversas aplicaciones orientadas a
las condiciones presentes en la realidad, el presente trabajo se enfoca solamente en
estudiar a las presas abiertas para control y retencin de sedimentos.
2.11. TRANSPORTE DE SEDIMENTO (ACARREO)
De acuerdo al tamao y naturaleza de las partculas y la capacidad de arrastre
del ro, el transporte de sedimento puede dividirse en transporte en solucin (slidos
disueltos); en suspensin (partculas finas, limos y arcillas) las cuales por su poco
peso se mantienen elevadas por los remolinos de la corriente y slo se asientan
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cuando la velocidad de la corriente disminuye, o cuando el lecho se hace ms liso o la
corriente descarga en un pozo o lago; y acarreo de fondo, constituido por las
partculas de mayor tamao (arenas, gravas, cantos y peones) cuyo peso hace que el
agua no pueda suspenderlas, pero el esfuerzo cortante del flujo cercano al fondo lograrodar y trasladar las partculas, sobre todo durante las crecientes, producindose
numerosas colisiones entre ellas. En este ltimo la velocidad con que se trasladan las
partculas es sensiblemente menor a la velocidad de agua.
Existe un tipo intermedio de movimiento en el que las partculas se mueven
aguas abajo dando rebotes o saltos, a veces tocando el fondo y a veces avanzando en
suspensin hasta que vuelven a caer al fondo. A este movimiento se le denomina
saltacin y es una parte muy importante del proceso de transporte por el viento, en la
corriente lquida la altura de los saltos es tan reducida que no se distinguen realmente
del arrastre de fondo.
2.11.1. Transporte individual y transporte de masa
Cuando la corriente lleva una cantidad reducida de slidos, segn los
mecanismos descritos en la seccin anterior, cada partcula se desplaza con una
velocidad igual a la que tendra en el caso de que fuese la nica transportada por el
flujo. A medida que la cantidad de partculas aumenta stas cada vez tienen una
mayor influencia unas sobre otras, debido a los choques que se producen. Asimismo,
afectan cada vez ms las caractersticas del flujo debido a la influencia que ejercen
sobre la turbulencia, pero siempre que la concentracin de slidos en el agua no sea
excepcionalmente elevada existir una notable diferencia entre la velocidad
relativamente lenta de los materiales ms gruesos y la velocidad casi igual a la delagua de los ms finos. Es posible hablar de una velocidad individual de arrastre, para
una partcula de tamao dado. A esta forma de arrastre se le denomina transporte
individual.
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CAPTULO II: MARCO TERICO
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Si por alguna circunstancia los slidos presentes en el flujo aumentan
extraordinariamente las diferentes partculas estarn prcticamente en contacto
aumentando el nmero de choques por lo que todas tendern a desplazarse con la
misma velocidad en forma conjunta. A esta forma excepcional de arrastre se ladenomina transporte de masa.
Se podra decir que el transporte en masa es el lmite hacia el que tiende el
transporte individual cuando la concentracin de slidos crece indefinidamente
(Surez, 1993).
La mecnica de transporte durante un alud torrencial es del tipo transporte de
masa. Las partculas transportadas forman una onda de sedimento que se desplaza
aguas abajo de la corriente. Las partes de la onda se muestran en la figura.2.9.
Figura 2.9.Diagrama esquemtico de una onda de sedimento tpica[5]
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CAPTULO II: MARCO TERICO
28
2.12. ECUACIN DE MANNING PARA FLUJO UNIFORME:
1 .A.Rh
3. So
Siendo:
Q: caudal.
n: coeficiente de rugosidad de Manning.
Rh: radio hidrulico.
So: La pendiente de la lnea de energa que si el flujo es uniforme es igual a la
pendiente del fondo del canal y a la vez igual a la pendiente de la superficie libre del
agua.
2.13. NMERO DE FROUDE
VgD
Siendo:
V: La velocidad media de la seccin transversal del flujo.
g: La aceleracin de gravedad.
: La profundidad hidrulica.
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29
CAPTULO III
MARCO METODOLGICO
Los ensayos experimentales se realizaron en el Edificio Laboratorio de
Hidrulica del Instituto de mecnica de fluidos de la Facultad de Ingeniera de la
Universidad Central de Venezuela, el cual cuenta con un canal experimental de
seccin rectangular, dotado de un sistema mecnico que hace variar la pendiente entre
3.5% y 10% . Las dimensiones del canal son: 8 metros de largo, 60 cm de ancho y 40cm de alto, en su interior se coloc una estructura de madera lisa y barnizada que
reduce el ancho del canal a 30 cm logrando el aumento de la lmina escurrida.
Figura 3.1. Esquema del canal experimental junto al sistema de recirculacin
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
30
El canal contaba con un sistema de recirculacin de agua cuya alimentacin
originalmente dispona de dos bombas centrfugas de 1hp y 1/2 hp dispuestas
hidrulicamente en paralelo, cada una provista de una vlvula de bola para lograr la
estabilidad del caudal suministrado debido a las diferencia de potencia entre ambas.Las bombas alimentan al canal por la base de una cmara ubicada en el extremo
superior del mismo, por lo que el agua vierte hacia el canal una vez que se produce el
rebose de dicha cmara. Luego de transitar a todo lo largo del canal, el agua se capta
en una canaleta y es dirigida por una tubera de 4 pulgadas a dos tanques de
almacenamiento de 2000 litros cada uno y que estn unidos por un tubo de una
pulgada cerca del fondo de los tanques, las bombas captan el agua de estos tanques y
la redirigen al canal de experimento.
Figura 3.2. Tanques de almacenamiento de agua y parte posterior del canal [6]
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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3.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El procedimiento experimental se dividi en las siguientes etapas.
3.1.1 Acondicionamiento del canal
3.1.1.1 Modificacin del material del lecho del canal
Originalmente el canal contaba con un fondo o lecho de madera lisa y
barnizada susceptible a afectarse por la humedad. Para proteger el lecho original
(previniendo el caso de que se desee a futuro revertir las modificaciones realizadas)
se procedi a adherir con silicn lminas de enchapado de madera.
Una vez secado el revestimiento de chapilla del fondo original se realiz lainstalacin de un lecho fijo compuesto por grava de forma irregular con cortes
angulares, cuyas caractersticas son, 2 cm promedio de dimetro y clasificacin
granulomtrica comprendida entre 0.2 a 6 cm de dimetro. Este lecho se utiliz con el
fin de alcanzar una alta rugosidad que permiti un espesor de lmina escurrida ms
alto y obtener cierta similitud con los cauces naturales de los torrentes a escala
(sugerido por el Profesor Jos Lus Lpez). La grava se adhiri al material del fondo
original del canal mediante concreto formado mezclando arena (de la mismagranulometra utilizada para el experimento), cemento comercial y agua, con lo que
se logr eliminar filtraciones que existan en el sistema y que pudieron afectar los
resultados de los experimentos.
Figura 3.3. Modificaciones realizadas al canal experimental. (Antesdespus)
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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3.1.1.2. Modificacin del sistema de recirculacin
Este sistema fue modificado sustituyendo una de las bombas que se
encontraba descompuesta, la bomba de potencia de hp, por otra funcional de 2 hp
potencia, con lo que se consegua un mayor caudal para la realizacin de los ensayos.
Adicionalmente con colaboracin del equipo tcnico del instituto se construy
un cedazo para que impidiera en su totalidad el paso del material slido hacia los
tanques de alimentacin, permitiendo solo el paso de agua para evitar daos en las
bombas.
3.1.2. Eleccin del material a utilizar como sedimento
Se utiliz arena previamente lavada y cernida para eliminar impurezas y las
partculas ms finas que pudieran pasar a los tanques de alimentacin, eliminando as
la posibilidad de formacin de transporte en suspensin y en solucin que dificultaran
el proceso de medicin debido a turbiedad del agua. Con esto se limit el estudio al
tipo de mecanismo de transporte de slidos de fondo.
Se tom una muestra de 418.8g del material a utilizarse y se elabor la
granulometra en el laboratorio de sedimentologa del IMF, los resultados al detalle se
exponen en la grfica 3.1. La granulometra del material una vez lavado y cernido de
D50=0.72mm y con un peso especfico de 2.65 kg/litro.
Grfico. 3.1. Granulometra del material utilizado como caudal slido
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
0,010 0,100 1,000 10,000 100,000Porcentaje
enmasadepartculas
con
dimetromenor
Dimetro de la partcula
Granulometra del Material Utilizado como Caudal Slido
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
33
3.1.3. Elaboracin de las presas en lmina de acrlico
Se elaboraron dos presas en lmina de acrlico transparente de 0.5cm de
espesor en los talleres del IMF (Figura 3.4). La presa con ranura, con una ranura
central de 4 cm de ancho iniciada desde el fondo lo que dio como resultado dos
estructuras independientes fijas a los extremos del canal y separadas por una abertura
central. La presa con ventana, con una ventana central de dimensiones 4cm de ancho
y 6cm de altura; ambas presas de 15 cm de altura y del mismo ancho del canal (30
cm). Longitudinalmente las presas fueron colocadas a 20 cm del extremo aguas abajo
del canal (Figura 3.3).
Figura 3.4. Modelo de presas utilizadas en la realizacin de los ensayos.
3.2 INSTRUMENTACIN
Instalacin de los equipos de video
Los perfiles se registraron mediante grabaciones efectuadas con dos cmarasde video digital marca Sony modelos DSC-HX1 y DSC-F828, colocadas a un lado
del canal a una distancia de un metro y medio de ste de manera de realizar un
enfoque lateral del canal experimental, ambas cmaras fueron dispuestas de forma
consecutiva y colocadas en una base trpode a una misma altura, se colocaron miras
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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graduadas en diferentes progresivas sujetas al vidrio del canal para ser usadas de
referencia. El resultado entre las dos cmaras fueron dos videos con rango de visin
del canal cercano a dos metros para cada una y con una franja de solapamiento que
sirvi para luego unir mediante programas de edicin de video los dos rangos devisin y obtener as el seguimiento visual de lo ocurrido hasta aproximadamente 3
metros de progresiva medidos desde la presa hacia aguas arriba. Adicionalmente y
con el fin de sacar ms provecho a los experimentos se captur videos cortos de
seguimiento de partculas con una cmara de alta velocidad marca Photron, modelo
APX-RS, con capacidad de captura de 3000 cuadros por segundo para una resolucin
de 1024x1024 pixeles, perteneciente al Instituto de Mecnica de Fluidos. Adems se
emple una cmara de video marca Sony, modelo DCR-DVD 405 para capturar
vistas generales que permitieron registrar aspectos importantes de los ensayos, como
vistas frontales a la presa, vistas de planta del flujo y vistas descriptivas del proceso
de vertido de la arena.
Instalacin de sensores de nivel de agua
Fueron instalados 5 sensores de nivel, de la marca National Instruments, a lo
largo del canal, sujetos en bases movibles a conveniencia de cada prueba y colocados
de la siguiente forma, dos de ellos cercanos a la presa, dos cercanos a la progresiva
donde se forma el resalto hidrulico y el ltimo, aguas arriba del resalto.
El canal se dot de un sistema de adquisicin de datos realizado por el
estudiante de pregrado de Ingeniera Elctrica Vctor Devia, quien realizaba su
trabajo especial de grado titulado DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNSISTEMA DE INSTRUMENTACIN ELECTRNICA PARA LA CAPTACIN
DE DATOS Y AUTOMATIZACIN DEL CANAL DE FLUJO TORRENCIAL
PARA EL LABORATORIO DEL INSTITUTO DE MECNICA DE FLUIDOS
(IMF-UCV) referente a la instrumentacin del canal. sta sirvi no solo para el
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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manejo de los datos arrojados por los sensores sino tambin para el control
automatizado del encendido de las bombas y de la variacin de la pendiente del canal
(Devia, 2009). La adquisicin de datos se bas en el diseo de una interfaz hardware-
software por medio de la cual los dispositivos utilizados en la prueba adquirieron losdatos para ser visualizados directamente a travs del PC, guardndolos directamente
en la computadora para posteriormente realizar el anlisis y comparaciones
respectivas. La plataforma de programacin fue el lenguaje LabView, software
especializado en adquisicin y procesamiento de datos provenientes de instrumentos
de medicin.
Medicin del caudal Lquido
El caudal se midi con un recipiente suficientemente ancho para captar toda el
agua que verta en el extremo inferior del canal de dimensiones 40 cm de altura y
base 60x80 cm, junto con el uso de un cronmetro se procedi a efectuar varios
aforos volumtricos antes de cada experimento y se promediaron obteniendo as los
valores del caudal para cada pendiente que fueron utilizados en los clculos.
3.3. INSTALACIN Y ACONDICIONAMIENTO DE TOLVA.
Aguas arriba del canal se instal una tolva de forma cnica, se calibr la
vlvula de apertura de la tolva en dos graduaciones con lo que permiti el paso de un
caudal slido constante de 2.82 l/min y otro del doble (5.64 l/min), para obtener
resultados a dos concentraciones distintas.
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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Figura 3.5.Tolva para la administracin del sedimento
3.4. EXPERIMENTOS REALIZADOS
Una vez completada la fase de acondicionamiento del canal se comenz con
el proceso experimental, el cual se refleja en el siguiente esquema:
Figura 3.6.Esquema de los ensayos realizados para distintas pendientes y caudal slido
V l vu l a pa r a
g r a dua r l a s a l i da
de a r e na
T o l va l l e na de
a r e na
F l u j o de a r e na pa r a una
de t e r m i na da a be r t u r a de
v l vu l a
B a l d e d e
v o l u m e n
c o n o c i d o
M a n i v e l a p a r a
a c c i ona r l a v l vu l a
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El procedimiento experimental se llev a cabo de la siguiente manera:
- Posicionamiento y encendido del equipo instrumental:
Se encendieron las bombas y luego se abrieron las vlvulas de cada bomba ala vez para evitar inestabilidad en el bombeo debido a la diferencia de potencia
existente entre las dos bombas centrfugas y a que se encontraban dispuestas en
paralelo.
Una vez que se alcanz la estabilidad del flujo de agua sola en el canal se
determin la progresiva en la que se formaba el resalto hidrulico y en base a sta se
posicionaron los sensores de nivel, tres de ellos aguas abajo del resalto y dos aguas
arriba, con lo que se logr tener detalle de las pendientes de la superficie libre en los
dos regmenes del flujo presentes.
Se procedi a apagar las bombas para calibrar el fondo del canal en la visual
de cada sensor de nivel como valor cero.
- Pasos realizados en la prueba:
1.
Encendido del sistema de recirculacin: Se esper un tiempo para laestabilizacin del sistema, dicho tiempo era aproximadamente dos minutos, y
corresponda al momento en que el nivel de los tanques permaneci constante
(momento en que se igual la entrada de agua a los tanques con el caudal
succionado por las bombas). En dicho momento se realiz el aforo
volumtrico para la prueba.
2. Inyeccin del caudal slido: Luego de la estabilizacin del sistema se
comenz el suministro del caudal slido correspondiente para cada prueba. En
ste instante se inici la captura de los videos, correspondiendo al minuto 0 de
la prueba.
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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3. Transcurrir de la prueba: El equipo de filmacin permiti registrar la
evolucin del proceso de transporte de sedimentos aguas arriba de la presa, el
proceso de transporte tuvo similitud con la onda de transporte de masa de unalud torrencial, durante la prueba la onda experiment un crecimiento vertical
a medida que se desplazaba haca la presa, al final del recorrido poda
aumentar o disminuir verticalmente hasta llegar a una estabilidad en la cual
todo el sedimento aportado se igual al saliente por la abertura de la presa,
este momento se denomin equilibrio y la nueva pendiente formada por la
cua de sedimento (delta de sedimentacin o simplemente delta) se le llam
pendiente de equilibrio de la prueba.
Una vez llegado al equilibrio se interrumpi la alimentacin del
material slido.
4. Estado final de la prueba: Se dej correr agua hasta que no se observaron
cambios apreciables o hasta donde alcanz la capacidad de almacenamiento
de las cmaras. Una vez llegado el final se procedi a apagar todo el sistema y
a resguardar la informacin generada por las cmaras y los sensores, vaciandolas memorias de las cmaras para disponer sus capacidades mximas en la
siguiente prueba.
5. Se retir el material acumulado a lo largo del sistema procurando dejar
completamente limpio de sedimentos el canal. El material retirado se extendi
sobre una lona colocada en el piso del laboratorio de forma que se aireara bien
para su secado y quedara en condiciones para usarse en otro experimento.
6.
Cuando se agotaba el material seco (con humedad insuficiente para producir
cohesin visible entre partculas cuando estaba en contacto con la atmsfera)
se detuvieron los ensayos durante tres o cuatro das (dependiendo del estado
del tiempo atmosfrico) durante los cuales se procedi a agitar en repetidas
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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ocasiones los diferentes montculos extrados cada uno de una prueba
diferente, para acelerar el proceso de secado. Todos los experimentos fueron
realizados durante das soleados para obtener mejor iluminacin para las
cmaras y porque no se propuso tener control sobre la humedad atmosfrica lacual podra alterar los resultados.
El procedimiento descrito se repiti para cada uno de los experimentos.
3.5 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS
3.5.1. Medicin de los perfiles de flujo y la onda de sedimentos
La medicin de los perfiles se realiz mediante la vectorizacin con el uso de un
sistema de dibujo asistido por computador de instantes capturados en los videos, por
lo general cada minuto de prueba fue capturado y medido (ver anexos proceso de
medicin sobre los videos). En la tabla 3.1 se muestra el total de instantes extrados
de los dos videos, el total de imgenes que resultaron del procedimiento y el total de
perfiles que fueron vectorizados. Hay que recalcar que dicho procedimiento gener
un gran volumen de informacin que resulta difcil mostrar por completo en elpresente informe. Con la finalidad de exponer el procedimiento realizado se muestra
en la figura 3.7 el proceso de vectorizacin para que sirva como gua a quienes
deseen aplicar este procedimiento experimental en futuros ensayos.
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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Tabla 3.1.Total de Perfiles extrados de los ensayos
EnsayoPendientedel Canal
Tipo dePresa
CaudalSlido
Nmero deinstantesextraidos
Nmero deImgenes
digitalizadas
Total dePerfiles de
aguaVectorizados
Total de perfilesde onda desedimento
vectorizados
Total deperfiles
vectorizados
15%
Ranura 2.82L/min
24 48 24 18 42
2 Ventana 25 50 25 20 45
3
7,50%
Ranura 2.82L/min
19 38 19 15 34
4 Ventana 17 34 17 13 30
5 Ranura 5.64L/min
19 38 19 15 34
6 Ventana 18 36 18 15 33
7
10%
Ranura 2.82L/min
14 28 14 11 25
8 Ventana 17 34 17 13 30
9 Ranura 5.64L/min
14 28 14 12 26
10 Ventana 18 36 18 15 33
Total 185 370 185 147 332
Figura 3.7.Procedimiento de vectorizacin de los perfiles en un software de dibujo asistido por computador.
Para el manejo de toda la informacin obtenida de los videos se hizo necesario
implementar una serie de herramientas de automatizacin de procesos mediante el
uso de rutinas de programacin las cuales se ha preferido mostrar con algo de detalle
en la seccin de anexos. Entre estos detalles se muestra el proceso de interpolacin de
los perfiles obtenidos como series de vectores con distintas longitudes, para
transformarlos a coordenadas (Progresiva, Cota) con intervalo constante de
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
41
progresiva, lo que result necesario para poder realizar los clculos mostrados a
continuacin.
3.5.2. Clculo de las profundidades del flujo a lo largo del tramo medido.
La profundidad hidrulica de la cual dependen la mayor parte de las
ecuaciones tericas del flujo corresponde a la profundidad de la seccin del fluido
que se encuentra en desplazamiento haca el sentido del flujo (seccin por la que
escurre el total del caudal), para medir esta profundidad en un canal rugoso con
precisin, habra que definir primero la profundidad a la cual la velocidad del fluido
es cero producto de los efectos de capa lmite impuestos por el material sobre el cual
se desplaza el flujo, ese nivel marcara el principio de la profundidad hidrulica y sta
tendra el valor de la distancia desde el nivel mencionado hasta el nivel de la
superficie libre para la seccin. En la prctica resulta muy difcil definir con exactitud
el nivel de velocidades cero, para los clculos efectuados se consider ste nivel
como el nivel correspondiente a la mitad de la rugosidad media absoluta del lecho de
roca. Lo anterior es solo vlido para un flujo en el canal experimental antes de que se
le vierta sedimento.
En el caso del flujo cuando existe la presencia de la onda de sedimento,determinar el valor del caudal que escurre en la profundidad de lmina de agua
observada es lo que representa una gran dificultad. Por lo que aunque se logr obtener
de manera eficaz el valor de la profundidad, no as se pudo calcular con este valor los
diferentes parmetros hidrulicos dependientes de la profundidad y del caudal
asociado a ella.
3.5.3.Clculo de las variables hidrulicas.
Con la profundidad obtenida de los perfiles del flujo bajo las anteriores
consideraciones y el caudal medido en aforos volumtricos durante las pruebas se
procedi a calcular el valor de rugosidad de Manning y el nmero de Froude para
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
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cada progresiva constante de 1cm, del tramo levantado, para lo que se utiliz las
ecuaciones mostradas en el captulo II.
3.5.4. Clculo del Volumen de la onda de sedimento.
Obtenido el perfil de la onda de sedimento para cada instante como un juego de
coordenadas bidimensionales (Progresiva, Cota), para progresivas cada 1cm, se
calcul el volumen de la onda con la siguiente relacin.
[ + 2==0 ]
Siendo:
V: Volumen de la onda.
i: Contador desde la progresiva del inicio de la onda 0 hasta el total de
progresivas de la onda f.
Z: Cota medida del perfil para la progresiva i.
b: Ancho del canal igual a 30 cm.
Pi+1: Progresiva siguiente.
Pi-1: Progresiva anterior a la progresiva i.
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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO
43
3.5.5. Clculo de la pendiente del cuerpo de la onda.
La pendiente de la onda se calcul para cada instante extrado con la siguienteexpresin.
Siendo:
: Pendiente promedio del cuerpo de la onda.Z: Cota para la progresiva correspondiente.
P: Progresiva desde que comienza el cuerpo de la onda (punto ms alto
del frente de la onda) hasta el final de la onda.
n: Contador que vara la progresiva.
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CAPTULO IV
RESULTADOS Y ANLISIS
A continuacin se presentan los resultados y sus anlisis para cada uno de los
10 experimentos realizados, cinco de ellos se realizaron en presencia de una presa con
ranura y los otros cinco en presencia de una presa con ventana. Los experimentos se
definen segn sus parmetros constantes, la pendiente de inclinacin del canal
experimental, el caudal lquido y el caudal slido suministrado. En los experimentos
con pendiente del canal de 5% se utiliz solo un caudal slido, para las pendientes de
7.5% y 10% se utilizaron dos caudales slidos diferentes, uno corresponde al valor
lmite que puede transportar el flujo para las condiciones de suministro y el otro a la
mitad de este valor. Los ensayos se presentan ordenados segn la pendiente y el
caudal slido de menor a mayor valor, y alternando el tipo de presa.
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CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS
45
4.1 ENSAYO #1. PRESA RANURADA (So=5%, Qs=2.82L/min).
En la Tabla 4.1 se presentan las caractersticas generales del experimento .
Tabla 4.1. Ensayo #1.Caractersticas generalespara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min).
Caractersticas ValorTipo de presa Con RanuraPendiente del Canal 5%Caudal Slido 2.82 l/min 7.47kg/minCaudal Lquido 4.5 L/sProfundidad Crtica Yc 2.84cmN de Manning Sobre el Lecho Fijo de grava 0.02889
Pendiente de Equilibrio 3.08%Volumen del Delta en el Equilibrio 37 litrosTiempo en alcanzar el Equilibrio 18 minutos
En la Tabla 4.2 se muestran los valores calculados de la posicin del frente y
cola de la onda, su velocidad de avance, longitud y la evolucin de su pendiente en el
tiempo.
En el Anexo 1 se exponen los grficos de los perfiles obtenidos para cada
instante de la prueba y con los cuales se obtuvieron los resultados reflejados en las
tablas.
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CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS
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Tabla 4.2. Ensayo #1 Evolucin de la onda de sedimentacin para diferentes instantes para una presa ranurada( S=5%, Qs= 2.82L/min. )
MinutosProgresiva
del frente de
onda (m)
Progresivafinal de onda
en la cola (m)
Velocidad del Frentede Onda (aguas
abajo) (m/min)
Velocidadaguas arriba
(la cola)(m/min)
Longitud de la
onda (m)
Pendiente delfrente de la
Onda ()
Pendientedel
cuerpo de
Onda(%)
6 1.07 2.32 30.46 4.607 0.99 2.24 0.08 -0.08 1.25 30.46 4.608 0.85 2.34 0.14 0.10 1.49 15.11 3.169 0.91 3.00 -0.06 0.66 2.09 39.18 3.05
10 0.74 3.00 0.17 0.00 2.26 38.41 2.9711 0.56 3.00 0.18 0.00 2.44 56.83 3.0712 0.42 3.00 0.14 0.00 2.58 33.98 2.9413 0.36 3.00 0.06 0.00 2.64 36.13 2.8614 0.26 3.05 0.10 0.05 2.79 36.32 2.9415 0.12 3.56 0.14 0.51 3.44 37.38 3.1716 0.01 3.55 0.11 -0.01 3.54 39.69 3.00
17 0.00 4.28 0.01 0.73 4.28 38.66 3.2818 0.00 5.44 0.00 1.16 5.44 23.12 3.08
19 0.00 4.85 0.00 -0.59 4.85 36.35 3.3020 0.00 4.71 0.00 -0.14 4.71 39.28 3.34
21 0.00 3.53 0.00 -1.18 3.53 41.83 3.3522 0.00 3.31 0.00 -0.22 3.31 33.46 3.0523 0.00 3.00 0.00 -0.31 3.00 37.20 2.9024 0.00 3.00 0.00 0.00 3.00 34.22 2.80
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CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS
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La condicin inicial se estableci con un flujo de agua sin sedimentos, una
vez alcanzada la permanencia se observaron dos estados del flujo, uno aguas arriba
donde la profundidad es relativamente baja y constante y se asemeja a un perfil del
tipo S2 hasta alcanzar la profundidad normal del flujo y donde se presenta un rgimenuniforme y otro donde se produjo un aumento progresivo de la profundidad hasta
alcanzar la presa semejante a un perfil del tipo S1. Se verific calculando el nmero
de Froude que las condiciones aguas arriba estn regidas por un flujo supercrtico
(Froude=1.21 en promedio), con nmeros de Froude mayores a la unidad a lo largo
del tramo (ver el Grfico 4.1). El segundo tramo se verific que posee condiciones de
flujo sub-crtico (n de Froude
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CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS
48
El flujo del tramo aguas arriba del resalto se encontr en estado supercrtico y
con profundidades comprendidas entre 2.5 y 3 cm, profundidades medidas desde el
nivel que corresponde a la mitad de la rugosidad media absoluta del lecho (0.6 cm
medidos desde el nivel medio de los valles), las irregularidades del fondo ejercengrandes perturbaciones al flujo generando inclusive componentes de velocidad
negativas en algunos puntos con respecto a la direccin de su desplazamiento, dando
como resultado perfiles de velocidades ms complejos. En la Figura 4.1 se observa
las fuertes ondulaciones en la superficie libre del agua caracterstico de un flujo
turbulento.
Figura 4.1. Ondulaciones en la superficie libre del agua
Si bien analizar el flujo segn las expresiones que se hallan en la bibliografa
lleva a cometer errores en los valores obtenidos para las variables, debido a que se
determinaron bajo otras condiciones en el laboratorio, el anlisis de estos resultadospermite observar condiciones generales del comportamiento del flujo como el cambio
de rgimen y la ubicacin del resalto subsecuente. Cabe destacar que aguas abajo del
resalto donde la profundidad del flujo aumenta considerablemente, los efectos del
fondo se hacen menos apreciables y por lo tanto se obtienen valores ms precisos.
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Una vez iniciado el suministro de sedimento, ste descendi transportado por
el flujo en forma de acarreo en suspensin y de arrastre de fondo ya que las partculas
viajan con movimientos aleatorios e independientes unas de las otras. Transcurridos 6
minutos desde el momento de inicio del suministro de material slido se form laonda de sedimento que abarc la progresiva 1,07 metros (en el frente de la onda)
hasta la progresiva 2.32 metros (final de la cola de la onda), medidos desde la presa.
Analizando con ms detalle, entre los minutos 5 y 6 del experimento se produce el
momento en que el acarreo en suspensin y en transporte de fondo cambia su
mecnica de transporte a un acarreo en masa (se forma la onda de sedimento), el
lugar donde se forma la onda de sedimento se ubic ligeramente aguas abajo de la
seccin donde se produjo el cambio de estado del flujo, el resalto es desplazado hacia
aguas abajo a medida que avanza la onda y se ubica cercano al frente de la misma
como se aprecia en la Figura 4.2.
Figura 4.2. Desplazamiento del Resalto
La onda creci en tres dimensiones, su cola se extendi hacia aguas arriba,
hacia aguas abajo el frente avanz con velocidad promedio de 11 cm por minuto y
aument el espesor de la cua. La evolucin de la onda se aprecia en el Grfico 4.2
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donde se representan los perfiles para el agua y la onda de sedimento en los minutos
iniciales, en el equilibrio, el final y en algunos instantes intermedios que permiten
observar el comportamiento descrito.
En el Grfico 4.2 adems se indica el valor calculado para la pendiente del
delta en el instante de equilibrio (3.08%), que corresponde al 62% de la pendiente
original del canal (5%) y se encuentra dentro del rango propuesto por la experiencia
japonesa para pendiente de compensacin .3
2
2
1
C
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Grfico 4.2. Ensayo #1, Evolucin de la onda de sedimento para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min.). (Direccin del flujo hacia la izquierda)
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Detallando mejor el proceso de sedimentacin aguas arriba de la presa, se
observ el avance progresivo de la onda (Grfico 4.3). Transcurridos 16 minutos de
prueba, el frente de la onda lleg al sitio de presa (progresiva =0) y luego, en el
minuto 18 se observ que su tamao permanece invariante, en este instante es en elque se alcanz el estado de equilibrio. Durante esta prueba el retroceso de la onda de
sedimento (sin suministro de arena) present mayor valor de cota que durante los
instantes anteriores, pero el volumen es menor que en el instante de equilibrio debido
a la diferencia de longitud de la onda entre ambos instantes y a la presencia de un
cauce central formado por erosin durante el retroceso de la onda.
Grfico.4.3. Ensayo #1. Proceso de sedimentacin aguas arriba para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min.)
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El nmero de Froude calculado sobre la onda de sedimento y hacia aguas
arriba arroja valores muy superiores a la unidad (flujo supercrtico) y en las cercanas
de la presa pasa a ser sub-crtico, cruzando el valor crtico en adelante del frente de la
onda (se forma un resalto hidrulico). El nmero de Froude decrece hasta alcanzar lapresa (donde F=0.20) debido al aumento de profundidad por los efectos de control de
la estructura.
Aunque haya ocurrido la disminucin en la pendiente del cauce, se observ
una considerable disminucin de la profundidad de la lmina de agua comparada con
los minutos iniciales donde el lecho en contacto con el agua era de grava (Grfico
4.2.), lo que sugiere una rugosidad menor de la cua de sedimento en comparacin a
la de la grava, el clculo de esta rugosidad no puede ser efectuado mediante los
mtodos tradicionales ya que habra que considerar la condicin de fondo mvil y que
no todo el caudal que ha sido medido circul por encima del delta, pues tambin se
present flujo sub-superficial.
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