Flujos

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS-TACNA

NDICE

INTRODUCCION.....2 LOS FLUJOS...3 FLUJO DE ESCOMBROS.....4 FLUJO DE LODO.......5 FLUJOS DE DETRITO............10 FLUJO DE LOESS15 FLUJO RAPIDO16 AVALANCHA DE ESCOMBROS...16 Formacin de la avalancha...17 Transporte.....17 Depositacin.....17

INTRODUCCIN

El fenmeno de erosin en masa incluye el desprendimiento, transporte y depositacin de grandes masas de suelo, por accin del agua. Las masas en movimiento se comportan como un fluido pero su comportamiento es diferente al de los flujos de sedimentos, especialmente debido a la alta concentracin de slidos. A estos movimientos se les denomina genricamente como flujos o avalancha.

LOS FLUJOSEn un flujo existen movimientos relativos de las partculas o bloques pequeos dentro de una masa que se mueve o desliza sobre una superficie de falla. Los flujos pueden ser lentos o rpidos, as como secos o hmedos y los puede haber de roca, de residuos o de suelo o tierra.Los flujos muy lentos o extremadamente lentos pueden asimilarse en ocasiones a los fenmenos de reptacin y la diferencia consiste en que en los flujos existe una superficie fcilmente identificablede separacin entre el material que se mueve y el subyacente, mientras en la reptacin la velocidad del movimiento disminuye al profundizarse el perfil, sin que exista una superficie definida de rotura.La ocurrencia de flujos est generalmente, relacionada con la saturacin de los materiales subsuperficiales. Algunos suelos absorben agua muy fcilmente y la saturacin conduce a la formacin de un flujo.Algunos flujos pueden resultar de la alteracin de suelos muy sensitivos, tales como sedimentos no consolidados.

1. FLUJO DE ESCOMBROSEstos ocurren cuando masas de roca, tierra o escombros bajan por un declive. Los derrumbes de tierra pueden ser pequeos o grandes y pueden moverse a bajas o a muy altas velocidades. Son activados por tormentas, terremotos, erupciones volcnicas, incendios y por la modificacin del terreno hecha por el hombre.Los flujos de escombros es un tipo de deslizamientos formado por una mezcla de roca saturada de agua y suelo hmedo.Se denomina a veces como un lahar(procedentes de una volcn) o como tierra corriente o flujos de lodo el deslizamientos de residuos parecen hormign fluido esta caracterstica puede conducir a la formacin de diques en los mrgenes de flujos de escombros sin restriccin como los mrgenes .Flujo de Escombro Volcnico La ChircaEn reconocimiento de campo realizado en el l sitio se observa bloques de lava volcnica mayores que 2 m de dimetro, escoria, arena y cenizas sueltas movilizada por eventos lluviosos que obstaculizan temporalmente el camino de San Marcos - Altagracia. Tipos de flujos de acuerdo a las caracteiastic as de la mezcla y el canal2. FLUJO DE LODO

Los flujos de lodo generalmente consisten de altas concentraciones de partculas finas (limos y arcillas), aunque tambin transportan grandes bloques o cantos de roca. De hecho el fluido se comporta como un slurry homogneo con una onda frontal y una serie de pulsaciones (Figura 1.1). De acuerdo a experimentos de Wan y Chien (1.989), un fluido se convierte en un slurry homogneo a una concentracin de partculas finas de solamente 90 kg/m3. A medida que la concentracin aumenta la estructura de los sedimentos se flocula rpidamente y la viscosidad aumenta en forma fuerte formndose una especie de cohesin de la mezcla suelo-agua.Al formarse el slurry de partculas finas y agua este se comporta como un flujo no-Newtoniano, del tipo conocido como fluido Bingham.Cuando el contenido de partculas finas es bajo, puede ocurrir un flujo viscoso continuo en el cual no se formauna parte frontal ni ocurren pulsaciones y se asemeja ms al modelo de fluido Newtoniano de ManningMecnica del movimientoEstos flujos fueron descritos por Johnson y Rodine(1984) como una serie de ondas tanto en planta como en perfil. Son flujos viscosos y se caracterizan por pulsos intermitentes. Un evento puede incluir desde 10 hasta cientos de esos pulsos. A medida que avanza cada onda, esta va adhiriendo nuevos depsitos y se vuelve ms delgado y ms lento. Posteriormente viene la segunda onda, luego la tercera y as sucesivamente.El periodo de estos flujos intermitentes vara de 10 a 40 segundos y sus longitudes varan de 50 a 300 metros.El frente del flujo intermitente generalmente es alto y empinado, consiste principalmente de grandes bloques de roca y presenta comnmente la mayor amplitud del flujo. Este frente es llamado en el oriente cabeza del dragn, y se le conoce en la literatura de habla inglesa con el nombre de Snout (trompa).Tiene generalmente una forma de lengua convexa con una fuerte pendiente (Figura 1.2). El flujo viscoso salpica lanzando sedimentos hacia arriba y el movimiento genera un ruido muy intenso que puede incluso hacer temblar la tierra. Debido a su alta velocidad y gran inercia los flujos viscosos se superelevan en forma importante en las curvas e incluso puede ascender pendiente arriba en algunos sitios hasta alturas superiores a 10 metros.Cuando un flujo viscoso encuentra un obstculo, su energa cintica se transforma en energa potencial y se levanta hasta alturas, de acuerdo a la frmula:

Dnde:Uc = Velocidad de la parte frontal del flujoFlujo viscoso en las curvasEn el extrads de las curvas la superficie del flujo se levanta en forma importante debido a la fuerza centrfuga, la cual se convierte en fuerza hacia arriba, en un proceso de colisin entre partculas. Esta sobre-elevacin en las curvas es utilizado como parmetro para calcular la velocidad del flujo (Johnson y Rodine, 1984).La velocidad promedio del flujo se puede obtener de la siguiente expresin:Figura 1.1

Figura 1.2

Donde:

DepositacinEn los canales anchos o al desbordarse el flujo se forman depsitos laterales alargados al lado del canal.En esta forma el flujo va depositando sedimentos a lo largo de su recorrido.Representacin idealizada de un flujo viscoso mostrando las diferentes ondas( Jahnson y Rodine, 1984)

La depositacin final del flujo viscoso mantiene la estatura dinmica de su movimiento creando filas de islas o dunas que son paralelas a la direccin del flujo, las cuales pueden tener forma de lengua.Comnmente, tiene una superficie ligeramente convexa, as como un frente empinado. Durante la sedimentacin no ocurre clasificacin de los sedimentos y las partculas se mueven como una masa integral. La velocidad de depositacin es muy pequea.Un ejemplo de flujo de lodo fue la avalancha del ro Pez en Colombia, en 1994

3. FLUJOS DE DETRITO

En los flujos de detritos los sedimentos controlan totalmente el flujo y el componente agua es menos importante. El movimiento de los flujos de detritos se le puede relacionar generalmente con flujo turbulento de granos. Este mecanismo no requiere de la presencia de una fase lquida o gaseosa y el movimiento se produce por transferencia de momentum al colisionar las partculas o bloques que se mueven.Su comportamiento se aleja del modelo hidrulico tpico. Los flujos son no-viscosos y son generalmente flujos turbulentos de dos fases. La fase lquida es un slurry consistente en agua y partculas finas y la fase propiamente slida son las partculas gruesas. Las partculas gruesas ruedan y saltan con velocidades mucho menores que las del slurry y se puede escuchar el ruido de golpeo de las partculas unas con otras, con ondas superficiales y salpicaduras, se observa claramente la turbulencia del flujo.

Mecnica del movimientoEl flujo de detritos generalmente ocurre en zonas de alta pendiente e involucra concentraciones altas de material slido, principalmente de partculas gruesas y bloques. Debido a las altas pendientes del flujo de detritos se pueden transportar fcilmente partculas o bloques de gran tamao a alta velocidad. Los flujos de detritos son extremadamente destructivos, debido a las fuerzas de impacto de los grandes bloques.La mxima velocidad registrada en China para flujos de detritos es de 13.4 m/s. pero se reporta que se pueden alcanzar velocidades hasta de 20 m/s. En algunos trabajos se mencionan velocidades (no medidas) hasta de 36 m/s .Aunque los flujos de detritos contienen partculas ms gruesas, mayores concentraciones, mayores pesos especficos y menores cantidades de agua, la mecnica del movimiento en algunos aspectos es similar a los de los flujos hiperconcentrados. En ocasiones el movimiento es intermitente, como en los flujos de lodos, pero la amplitud de la onda es relativamente pequea (20 a 50 cm) y usualmente el flujo no es completamente interrumpido entre las ondas.La velocidad es mayor al aumentar la pendiente del canal y la velocidad disminuye al aumentar la concentracin de slidos.

DepositacinAl disminuir la velocidad del flujo, la avalancha trata de desacelerar, aumentar de espesor y finalmente parar. Este proceso puede ocurrir por la disminucin de la pendiente, al aumento del ancho del canal o la presencia de obstculos que aumenten la resistencia al flujo.

Cuando ocurren ampliaciones o cambios significativos en el cauce se puede producir depositacin de las partculas ms gruesas. A medida que se depositan ms materiales se forma una especie de diques que hacen levantar el flujo, aumentndose el proceso de depositacin.

Cuando el cambio en el ancho del cauce es muy fuerte, o se presenta una disminucin fuerte de la pendiente del cauce, la velocidad disminuye abruptamente y se deposita la mayora del material slido, formando abanicos o barras de grandes bloques. Primero se depositan las partculas de mayor tamao, mientras las partculas finas tratan de recorrer una distancia mayor antes de producirse la sedimentacin y puede ocurrir que las partculas en suspensin recorran caminos de muchos kilmetros despus de que las partculas grandes se depositaron.Generalmente los flujos de detritos corren a lo largo de caones estrechos y cuando encuentran un rea ms amplia tratan de detenerse, formando abanicos de depositacin, los cuales pueden sepultar reas relativamente extensas.Takahashi (1991) desarroll modelos matemticos para representar el proceso de depositacin de flujos de detritos con base en la evaluacin de las fuerzas de gravedad, momentum del flujo antes del cambio de pendiente, las fuerzas hidrosttica y de presin de tierras, la friccin en el fondo y los esfuerzos producidos por la turbulencia y viscosidad del fluido.4. FLUJO DE LOESSLo forman depsitos delimooriginados por la deposicin de partculas con tamaos que van desde los 10 a los 50micrmetrosy que son transportadas por las tormentas de polvo a lo largo de miles de aos. Es de color amarillento y carece de estratificacin. Est formado principalmente porsilicatos(cuarzo,feldespato, etc.),carbonato de calcio(procedente de rocacaliza,doloma, etc.), finsimosdetritosorgnicos y minerales del grupo de lasarcillas. Constituyen un suelo de labor muy frtil y profunda.En regiones de clima rido se forman sus depsitos donde la vegetacin es abundante y facilita su fijacin. En las regiones de clima fro el polvo ha sido arrancado de los bancos de limofluvioglaciaresy luego abandonado sobre el manto denievede las regionesperi glaciares. Este fenmeno, al proseguirse durante los perodos glaciares del cuaternario, ha dado lugar a la formacin de grandes depsitos de hasta 300mde espesor en lagran llanura europea, cuya zona ms frtil lo es precisamente por estar formada por loess.Otras llanuras donde es tpico elloessson las del norte de China, por ejemplo en la la "meseta deloess" delHunyuanen la provincia deShanxi(donde elloesssuele tener el color amarillo que da alro Amarillo) y en laPampa hmedaArgentina; en tales regiones tal frtil substrato suele ser acompaado por un cultivo tipodry farmingpara obtener ptimas cosechas decereales.En ciertas partes de estas regiones el agua ha disuelto y arrastrado a lo largo del tiempo la materiacalcreade la capa superior de estos depsitos, descarbonatndolos y convirtindolos enlehm.Las partculas ms gruesas son las arenas que formanarenales.

5. FLUJO RPIDO Un flujo de tierra es un flujo viscoso pendiente debajo de los materiales de grano fino que se han saturado con agua , y se mueve bajo la fueraza de la gravedad Cuando los materiales del suelo se saturan con agua suficiente que comenzara a fluir . su velocidad puede variar desde ser apenas perceptible de movimiento rpido . la velocidad del flujko es dictada por el contenido de agua .

6. AVALANCHA DE ESCOMBROSEn el caso de avalanchas de materiales saturados cuando las concentraciones de sedimentos exceden un cierto valor crtico, o la disponibilidad de agua disminuye la concentracin, las propiedades del flujo cambian en forma significativa no solamente en cuanto a las caractersticas del flujo sino tambin en la forma como los sedimentos son transportados. Un flujo de detritos puede convertirse en flujo hiperconcentrado al disminuir la concentracin de partculas slidas o el flujo hiperconcentrado puede convertirse en flujo de detritos al aumentar la concentracin.

Etapas del flujoSe pueden diferenciar tres etapas en un proceso d avalancha:a. Formacin de la avalanchaAl ocurrir un evento anmalo como Lluvias extraordinarias, sismos fuertes o deshielos rpidos se pueden generar procesos de deslizamiento o erosin, los cuales producen una concentracin de sedimentos o partculas sobre las laderas o cauces.Las masas que se sueltan pueden estar saturadas o puede haber aporte adicional de agua de acuerdo a las caractersticas del proceso activador. La concentracin de sedimentos sueltos sobre una pendiente fuerte propicia su movimiento.b. TransporteEn la etapa de avalancha propiamente dicha, la velocidad y el caudal aumentan bruscamente como en una especie de onda. En este proceso pueden incorporarse al flujo nuevos sedimentos por Corrasin y arrastre o por aportes de deslizamientos, corrientes de agua u otras avalanchas. En esta etapa el flujo puede comportarse como flujo de lodos, hiperconcentrado o de detritos, de acuerdo a la composicin, concentracin y velocidad. Despus de esta primera avalancha pueden venir otras ondas de menor o mayor amplitud.c. DepositacinAl disminuir la pendiente o aumentar el ancho del canal ocurre una disminucin de la velocidad o frenado de la avalancha. La energa cintica disminuye y se produce sedimentacin de las partculas.Movimiento de la carga de fondoEl movimiento de partculas muy gruesas en el fondo del cauce es esencialmente el movimiento de partculas empujadas por un Slurry.El slurry se diferencia del agua limpia en los siguientes aspectos (Chien y Wan, 1999):1. El peso especfico del slurry es mayor que el del agua limpia, por lo tanto la fuerza de arrastre en la direccin del flujo es mayor, como tambin es mayor la fuerza de flotacin.2. La viscosidad del slurry es mayor. Por lo tanto una vez las partculas son incorporadas al flujo, su velocidad de sedimentacin es menor que en agua limpia.3. La turbulencia es menos intensa en un slurry que en agua limpia, por lo tanto la resistencia a flujo con una superficie rugosa es menor, debido a que la subcapa laminar es ms gruesa y por lo tanto la rugosidad relativa es menor.El efecto sumado de los tres factores anteriores hace que la capacidad de carga de fondo de un slurry es mayor que el del agua limpia.El tamao mximo de partculas que pueden ser movidas por un slurry es generalmente, decenas de veces mayor que aquellas para agua limpia, y entre mayor sea la viscosidad efectiva del slurry y menor la velocidad de flujo, es mayor esta relacin.En China se han analizado casos de flujos hiperconcentrados con capacidad de arrastre de carga de fondo hasta 87 veces mayor que la de un flujo normal.El transporte de grandes bloquesAlgunos testigos de avalanchas describen el transporte de grandes cantos o bloques de roca flotando como corchos encima de flujo; este fenmeno ha sido reportado en innumerables ocasiones. El fenmeno es explicado dentro de un modelo de fluido dilatante como el de una fuerza dispersiva, debida a la colisin de una gran cantidad de partculas sobre la superficie del bloque (Figura 5.14). Otra explicacin hace un paralelo con la fuerza hidrodinmica o surfingque sostiene los aviones en el aire o los surfeadores sobre las olas del mar. La velocidad con que transitan estos grandes cantos es menor que la velocidad del slurry.Friccin entre el flujo y la superficie del terrenoDe trabajos realizados en China por Chien y Wan (1.999) se obtienen las siguientes conclusiones:

GEOLOGIA1