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Hidráulica de ríos, tema que abarca el transporte de sedimentos en ríos.
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TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
1. INTRODUCCIÓN
Los grandes desarrollos hidro-energéticos que se programan en diversos
países, así como las estructuras hidráulicas que hay que construir en el
inmediato futuro, exigen una evaluación previa de su factibilidad técnica y
económica, dadas las grandes sumas de dinero que hay que invertir en
ellas, a más del carácter de endeudamiento externo que estas inversiones
conllevan.
Con base en esta exigencia, el análisis del transporte de sedimentos de los
ríos y cuencas hidrológicas, ha adquirido una importancia capital, pues
determina la “vida económica de las obras”.
El transporte de sedimentos se engloba dentro de la HIDRAULICA FLUVIAL,
un campo de la Hidráulica mucho más amplio, cuyo objetivo es el estudio de
los fenómenos a que da lugar el flujo de agua sobre un lecho que tiene la
posibilidad de modificar sus características en respuesta a las solicitaciones
que el flujo induce, lo que a su vez comporta sustantivas alteraciones
cualitativas y cuantitativas en los parámetros del referido flujo. La presencia
de partículas en el flujo altera el comportamiento hidráulico muchas veces
motivado por la presencia de elementos artificiales, como son apoyos de
puentes o estructuras hidráulicas.
El estudio de Transporte de Sedimentos es importante porque permite al
ingeniero comprender cualitativamente el complejo mecanismo del
fenómeno transporte de sedimentos en cauces aluviales y ríos de montaña,
así como su cuantificación y control del volumen de sedimentos
transportados por los cauces con la finalidad de dimensionar las estructuras
hidráulicas como bocatomas, puentes, presas, entre otros.
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/transportesedimentos/
transpoertesedimentos.html
Syllabus del Curso de Transporte de Sedimentos en el área de Hidráulica de la
Universidad Nacional Agraria La Molina. Escuela de Postgrado. Maestría en Recursos
Hídricos. Facultad de Ingeniería Agrícola. Departamento de Recursos Hídricos.
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GENERAL
Determinar las Medidas del Transporte de Sedimentos en Ríos.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer el problema que ocasiona el transporte de sedimentos en los
ríos.
Estudiar la teoría de cálculo de la masa del material del arrastre del
fondo.
Reconocer la diferencia que existen entre los materiales en
suspensión, en saltación y de arrastre.
3. MARCO TEÓRICO
3.01. EL PROBLEMA DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
La erosión de los suelos en el Perú se produce en forma permanente por
efecto principalmente de las precipitaciones pluviales, dentro de un espacio
geográfico que es la cuenca hidrográfica, en dicha área se producen todos
los tipos de erosión, laminar, surcos, cárcavas y zanjas; los cursos de agua
arrastran los materiales producto de la erosión, de los derrumbes, de los
socavamientos y finalmente lo transportan a las partes bajas de los valles y
el mar.
La conclusión general a la que se llega sobre el proceso erosivo que se
produce en determinadas cuencas, es de que todas tienen casi las mismas
causas, relacionadas con el intemperismo, las altas pendientes de los
taludes de las laderas, las altas precipitaciones pluviales, las prácticas
agrícolas inadecuadas, la deforestación, el sobrepastoreo y la construcción
de obras viales y de infraestructura de riego que alteran la estabilidad de
los taludes de las quebradas y ríos de las cuencas; como consecuencia de la
erosión se ven afectadas en primera instancia las áreas agrícolas de las
partes altas por pérdida de suelos, en los valles bajos se producen
colmataciones de los embalses y los cauces de los ríos que quedan
vulnerables a las inundaciones, las obras hidráulicas son afectadas por los
sedimentos, los sistemas de riego presurizado se ven afectados por la
obstrucción de los goteros, los alavés de las turbinas de las centrales
hidroeléctricas son dañadas por el efecto corrosivo de los sedimentos y las
plantas de agua potable requieren de mayor cantidad de polímeros para
procesar agua para uso doméstico.
Los efectos de la erosión de los sedimentos, son visibles en las cuencas de
diferentes proyectos; sin embargo, no se han efectuado estudios que
permitan tener los datos necesarios para elaborar un diagnóstico preciso, y
que permita tomar medidas, a fin de atenuar el proceso erosivo y controlar
el transporte de sedimentos.
Plan de Gestión de la Oferta de Agua en la Cuenca del Ámbito del Proyecto Puyango –
Tumbes. Volumen II. Tomo 2.4. “Aspectos Ambientales en la Gestión de Agua” “Erosión y
Sedimentación de la Cuenca”. Página 1.
Sedimentos
Los sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia
natural de la degradación del suelo, puesto que el material procedente de la
erosión llega a las corrientes a través de tributarios menores, por la
capacidad que tiene la corriente de agua para transportar sólidos, también
por movimientos en masa, o sea, desprendimientos, deslizamientos y otros.
Hidrología y Procesos Hidráulicos. Hidráulica del Transporte de Sedimentos. Ing.
Juan F. Weber. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Exactas,
Físicas y Naturales.
Criterios de clasificación del Transporte de Sedimentos
A. Según el modo de transporte
-Carga en suspensión (suspended load): Es el material que se mantiene
entre la masa de flujo por fenómenos de turbulencia. Las partículas
suspendidas son transportadas y mantenidas dentro del flujo por un
proceso de mezcla turbulenta.
La carga en suspensión consiste en partículas de diámetro menor a
0.064 mm., las cuales se transportan suspendidas dentro del flujo.
-Carga de arrastre de fondo (bed load): Son partículas cuyo peso es
sustentado por el fondo del lecho y son partículas de tamaño mayor. La
carga de fondo es el material demasiado grueso para ser soportado
dentro el flujo de agua por un periodo apreciable de tiempo. El
transporte de fondo, incluye todos los tamaños de sedimentos mayores
de 0.064 mm transportados por el agua.
La carga de fondo puede moverse rodando, deslizándose o a saltos a
velocidades menores que aquellas del flujo alrededor. La carga de fondo
es muy importante debido a que es esta la que mayor influencia tiene
en los cambios del fondo de los ríos. La rata de transporte de carga de
fondo es una función de la capacidad de transporte del flujo.
-Carga en saltación (saltation load): Son partículas de tamaño intermedio
que se mueven saltando. Por instantes su peso es sustentado oir el flujo
t en otros por el lecho.
Carga total = Carga en suspensión + carga de arrastre.
Una regla general para determinar el tipo de transporte se muestra en la
tabla:
B. Según el origen del material transportado
Carga de lavado (wash load). Aporte sedimentológico inmediato de la
cuenca a la corriente, resultante del lavado (erosión) de la superficie
de la cuenca por efecto de un evento de lluvia. Partículas muy
pequeñas moviéndose a una velocidad similar a la del agua y por eso
llega pronto al cauce.
Carga de material del lecho (bed material load). Fuente inmediata de
materiales es el propio lecho de la corriente. Se mueven dependiendo
de las condiciones locales del flujo en el cauce. Partículas de tamaño
mayor y permanecen buena parte del tiempo en reposo y por tanto
su avance es muy lento. Es el aporte a largo plazo por parte de la
cuenca.
Carga Total = Carga de lavado + Carga de material del lecho
Erosión, Transporte y Depósitos de Sedimentos a Escala de Cuenca. Tercer Ciclo de
Conferencias “El Dato, la Información, el Conocimiento Ambiental, en la gestión de
la información”
3.02. TRANSPORTE DE MATERIAL DE ARRASTRE DE FONDO
Es el material del lecho que es transportado en una capa próxima al fondo
ya sea por deslizamiento, rodamiento o saltación, y tiene un espesor
aproximado igual a dos veces el diámetro de la partícula considerada. La
carga de lecho en el fondo varía entre el 5% y 25% de la carga en
suspensión, aunque puede representar porcentajes mayores en materiales
gruesos.
Transporte de Sedimentos. Página 8.
Cada sección de un río tiene una determinada capacidad de arrastre de
material sólido, que es función de la velocidad del agua, de su profundidad y
de la geometría de la sección.
Es característica de flujos torrenciales y el tamaño del material transportado
puede llegar a grandes dimensiones de rocas.
Se presenta por lo general en el lecho del rio. Cada sección de un rio tiene
una determinada capacidad de arrastre de material sólido.
Para el cálculo del transporte de sólidos existen 16 magnitudes que fluyen
en el transporte.
1. Caudal (Q) en m3/s
2. Masa de sólidos transportada en un determinado ancho y referida a un
determinado tiempo (mf) en kg/m.
3. Contenido en masa de material sólido por unidad de volumen de agua
(Cs) en kg/m3.
4. Ancho del canal (b) en m.
5. Tirante (h) en m.
6. Radio hidráulico (rhy) en m.
7. Velocidad (v) en m/s.
8. Pendiente de la línea de energía en la dirección del flujo (IE).
9. Coeficiente de resistencia, fricción (Ψ) en Kst.m1/3/s.
10. Viscosidad cinemática (v) en m2/s.
11. Densidad del flujo (ρ) en t/m3.
12. Densidad del material (normalmente 2.65 t/m3) (pf) en t/m3.
13. Diámetro característico d50 o dm en mm.
14. U = d60/d10
15. Factor de forma, normalmente es 0.7. FF = c/Vb.a
16. Geometría en planta de los meandros (pequeños o grandes).
3.03. TEORÍA DE CÁLCULO DE LA MASA DE MATERIAL DE ARRASTRE
DE FONDO.
El cálculo de la masa de material de arrastre de fondo, que normalmente
forma parte de un estudio sedimentológico, debe empezar con el
reconocimiento de campo y luego el estudio.
Se debe tener en cuenta, que los estudios sedimentológicos se hacen para
el futuro, como parte de un proyecto que se va a desarrollar en el tiempo,
por lo tanto, debemos evaluar los factores que intervienen en el
comportamiento de la cuenca (deforestación) y su evolución durante los
años de la vida del proyecto.
La selección de una fórmula para el cálculo del material de arrastre de
fondo, es una tarea ardua. Juegan papeles importantes como la experiencia,
la intuición y los conocimientos teóricos del ingeniero responsable del
estudio.
El cálculo del material de arrastre de fondo puede calcularse de dos
maneras, de manera directa y de manera indirecta.
De manera directa:
Utilizando ciertos dispositivos que funcionan como “trampas”.
El cálculo del arrastre de fondo se puede efectuar a partir de muestras
recogidas de manera directa.
-Trampa de arrastre de fondo:
La forma más sencilla de calcular el arrastre de fondo consiste en cavar
un agujero en el lecho de la corriente y en retirar y pesar el material que
cae en él. La cuenca aguas arriba de un vertedero o canal de aforo
puede actuar análogamente como una trampa de sedimentos, pero es
posible que no se sepa si se ha recogido todo el arrastre de fondo. En los
lugares con grandes cargas de arrastre, este procedimiento puede
necesitar mucho tiempo y resultar engorroso.
-Muestreador:
El cálculo del arrastre de fondo se puede efectuar a partir de muestras recogidas por un dispositivo que está situado por debajo del lecho de la corriente durante un tiempo determinado y que luego son extraídas para pesarlas. Se han utilizado numerosos dispositivos y su variedad demuestra
la dificultad que existe para tomar una muestra exacta y representativa. Los problemas que plantean los muestreadores del arrastre de fondo son:
· El muestreador perturba la corriente y modifica las condiciones hidráulicas en su punto de entrada.
· El muestreador tiene que descansar en el lecho de la corriente y tiende a hundirse en él al producirse una socavación en torno suyo.
· Para mantenerse estable en el fondo tiene que ser pesado, lo que dificulta su uso cuando se lo baja desde puentes o desde torres construidas con ese fin.
· Un muestreador tiene que reposar sobre un lecho razonablemente liso y no estar apoyado encima de piedras o cantos rodados.
La forma más sencilla es una cesta de alambre con una aleta
estabilizadora como se ilustra en la figura. El material que toma este
modelo es reducido porque interfiere con la corriente y cierta cantidad
de materia cada vez mayor a medida que la cesta se llena, se desvía en
torno al muestreador. Esto se puede describir diciendo que la
contrapresión reduce la corriente en el muestreador, lo cual transmite
una imagen clara sin entrar a analizar la mecánica de la corriente fluida.
-Muestreador de arrastre de fondo con diferencial de presión en la entrada
Algunos muestreadores tienen una sección de dispersión detrás del
orificio, lo que permite la entrada en el mismo a la misma velocidad de la
corriente circundante. Estos muestreadores se denominan de diferencia
de presión.
-Trazadores radiactivos
En varios estudios se hace referencia al empleo de indicadores radioactivos para
vigilar el movimiento del arrastre de fondo. La técnica consiste en insertar en la
corriente un trazador radioactivo en una forma similar al arrastre de fondo, es decir,
que debe tener la misma forma, dimensión y peso que el sedimento natural. El
movimiento aguas abajo puede así vigilarse utilizando detectores portátiles. Otra
solución consiste en aplicar el trazador a la superficie de un sedimento que se
produce de manera natural, o incorporarlo a materias artificiales que se pueden
radioactivar por medio de irradiaciones.
Muestreador ranurado para la carga total.
http://www.fao.org/docrep/t0848s/t0848s07.htm#cálculo del arrastre de fondo
De manera indirecta:
Se realiza utilizando fórmulas empíricas obtenidas en el laboratorio, pero
que son de mucha utilidad. Existen dos teorías o soluciones para la
estimación o cálculo de material de arrastre de fondo: La solución de
Meyer – Peter (1948) y la solución de Zanke (1990).
Hidráulica de Ríos. Dr. Ing. José del Carmen Pizarro Baldera. Universidad
Nacional de San Martín – Tarapoto. Facultad de Ingeniería Civil y Arquitectura.
3.04. SOLUCIÓN DE MEYER - PETER
Para ríos con material grueso (d> 1mm). Los principios que sustentan esta
solución son los siguientes:
-La línea de pendiente o gradiente de energía, es de gran importancia.
-El potencial de energía, al convertirse en energía cinética, se utiliza
parcialmente para el movimiento del agua y parcialmente para movimiento
de sedimentos.
Una expresión de energía contenida en el flujo de agua es la tensión de
corte.
Existen un umbral o límite crítico, para el cual, se inicia el movimiento.
El esfuerzo cortante en exceso, mueve la cantidad de sólidos (mf), es decir:
mf = f(τo – τcr)
O también expresado en magnitudes sin dimensión como:
Φ = f(Fr* - Fr*cr)
Donde:
Fr* = Es el número de Froude del grano del material de fondo, usado por
Shields.
Fr*cr = Es el Fr* crítico, que según Meyer – Peter, es:
Fr*cr = 0.047
Por lo tanto:
Φ = mf
ρf .√g . ρ' . d3ρ’ =
ρf −ρρ
mf = Masa de sólidos transportados expresada en t/m/seg.
ρf = Peso específico del material del fondo = 2.65 t/m3.
ρ = Peso específico del agua = 1t/m3.
γ: Φ = 8 (Fr* - 0.047)3/2
Por lo tanto, la solución de Meyer – Peter, queda expresada como sigue:
mf = 8(Fr* - 0.047)3/2.ρ f.√ g .ρ' . d3mf = Φ.ρ f.√ g .ρ . d3
Donde:
Fr = Fr*o (K st
K st ')3/2
Kst = Resistencia real
Kst’ = Resistencia ideal
Fr*o = Valor de Shields sin corrección
Kst’ = 26
d901/6 ó Kst’ =
5.87 .√2 gd901 /6
(K st
K st ') = Es el factor de corrección = 0.85
3.05. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS
3.06. LA SOLUCIÓN DE ZANKE
En lugar de un umbral o límite crítico, Zanke, introdujo el riesgo R como
factor en su fórmula de transporte. Su idea era que el transporte no
comienza abruptamente sino de manera suave.
El valor crítico de Fr*cr de Shields marca un estado de riesgo R = 0.10 es
decir 10%.
La teoría de Zanke, se sustenta en la siguiente fórmula:
Φ = (0.04) (Fr*o) (Fr) (Fr∗oFrcr∗¿¿
)3/2(R) Magnitud adimensional.
O también:
mf = (0.04)(ρ f)(v*o)(d)(vo∗¿vocr
¿)3(vm
√g .h)(R)
Donde:
R = Riesgo en una transición suave.
El valor de la magnitud D*, permite establecer relaciones para el cálculo de
Frcr*, dentro de los siguientes rangos:
Si: D*≤6 por lo tanto Frcr* = 0.109 (D*)-0.50
6<D*≤10 por lo tanto Frcr* = 0.140(D*)-0.64
10<D*≤20 por lo tanto Frcr* = 0.040(D*)-0.10
20<D*≤150 por lo tanto Frcr* = 0.013(D*)-0.29
D*≥150 por lo tanto Frcr* = 0.055
Donde Frcr* = es el valor crítico de Shields.
3.07. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS AL TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS
3.08. CAUDAL SÓLIDO
El caudal sólido de un rio está constituido por el material arrastrado por la
corriente de agua.
El arrastre del material sólido se da en tres modalidades, las mismas que
están en función de:
-La dimensión de las partículas.
-La densidad de las partículas.
-La velocidad del flujo.
Modalidades de Transporte de sedimentos
Transporte sólido en suspensión
Se trata en general de material fino, arcilla, limo y arenas finas.
Transporte de sólidos por arrastre de fondo
Es característico de flujos torrenciales y el tamaño del material
transportado puede llegar a grandes dimensiones de rocas (más de 1.00
de diámetro).
Como conclusión, con respecto al caudal sólido podemos decir que, cada
sección de un río tiene una determinada capacidad de arrastre de
material sólido, que es función de la velocidad, de su profundidad y de la
geometría de la sección.
3.09. LÍMITE ENTRE EL MATERIAL SÓLIDO EN SUSPENSIÓN Y EL
MATERIAL DE ARRASTRE DE FONDO
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3.10. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN
La capacidad de un río para transportar sedimentos en suspensión depende
de las fuerzas de sustentación que se generan como componentes
verticales de la velocidad del flujo.
Cuando se presenta una creciente, la capacidad de transporte de un rio
aumenta y a medida que el caudal disminuye también la capacidad de
transporte.
3.11. TEORÍA DE CÁLCULO DEL MATERIAL SÓLIDO EN SUSPENSIÓN
Existe más de una teoría para el cálculo del material sólido en suspensión
que transporta un río.
Se utilizará la fórmula de Engelund – Hansen para el cálculo del material
sólido en suspensión.
3.12. SOLUCIÓN DE ENGELUND – HANSEN
Ver fórmulas
3.13. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS AL TRANSPORTE DE
SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN
