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MORFOLOGIADE Rios
CapItulo 11 del Manual de Ingenierla de RIos *
JESUS GRACIA SANCHEZ **
JOSÉ ANTONIO MAZA ALVAREZ
* VersiOn actualizada del capItulo 11 del Manual de Ingenieria de Rios.que el Instituto de Ingenieria elaboró para Ia Comisión Nacional del Agua
** Investigador, Instituto de Ingenieria, UNAM
Profesor, Division de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingenierla, UNAM
RESUMEN iv
11. MORFOLOGA DE RIOS I
asficacióii de los rios 1
caracterisiicasfisicas 9
Meandros 20
Curvas 27
Transiciones 31
Aba,iicos aluviales 31
Deltas 33
Ejemplo numérico 34
Referencias 37
FOTOGRAFIAS 39
ABSTRACT
The basic ideas are presented to understand the behaviour of the rivers. This includes their
classification, physical characteristics, meanders formation, development of bends,
transitions, alluvial fans and delta formations. Numerical examples are included.
Hi
lv
RESUMEN
Se presentan los conceptos básicos para comprender el comportamiento de los rios. Esto
incluye su clasificación, caracteristicas fisicas, formación de meandros, desarrollo de
_curvas,transiciones,abanicos fluviales ydeltas. Se incluyen ejemplos numéricos. -
1
.
11. MORFOLOGiADE RIOS
La morfologia de rIos estudia la estructura y forma de los rios, incluyendo La configuración
del cauce en planta, la geómetrIa de las secciones. transversales,. Ia forma del fondo y las
caracteristicas del perfil. En esencia, las teorIas y planteamientos anailticos para rIos se han
desarrollado para casos idealizados. Los datos empleados, ya sean de campo o de
iaboratorio, corresponden a canales rectos con secciones transversales casi invariantes, en los
cuales se supone que el gasto es casi constante y se mantiene por grancles perlodos.
Efectivamente, los rios reales muestran muchas de las caracterIsticas idealizadas en los
canales estables; sin embargo existen varias diferencias entre ambos, que es necesario
conocer para aplicación satisfactoria de dichas teorias. Por ello, en este capItulo se presenta
un estudio general de.aquellos aspectos que están relacionados con la forma y caracterIsticas
de un rio a lo largo de su recorrido.
11.1 Clasflcación de los rIos
Para facilitar ci estudio de la morfologla de rIos, se ha clasificado a los mismos desde
diferentes puntos de vista. Esto permite ubicar fácilmente cualquier cauce para determinar
sus principales caracterIsticas. Sin embargo, conviene tener siempre en cuenta que en la
naturaleza se puede presentar çualquier condición intermedia entre las definidas en una
elasificación. .
2
11.1.1 Seginsuedad
Geológicamente, los rios son clasificados como jóvenes, maduros y viejos. Los rIos jóvenes
se encuentran en los cauces de montafia; tienen pendientes altas y secciôn transversal tipo
“V”. Son muy iffegulares y están generalmente en proceso de degradacion, véanse las fotos
a 11.4. Los rIos maduros se presentan en valles amplios y tienen pendientes relativamente
bajas; la erosion de las márgenes ha reemplazado a la erosion del fondo. Los rIos inaduros
son estables, y Ia sección transversal en cada tramo es capaz de transportar Ia carga de
sedimento en todo su recorrido, véanse las fotos 11.5 y 11.6. Los rios viejos se encuentran
en valles amplios y planicies cuyo ancho es 15 a 20 veces mayor que el ancho de los
meandros, y las pendientes son rnuy bajas. En estos rIos se forman depOsitos naturales de
sedimentos, a lo largo de las margenes, fotos 11.7 a 11.9. Frecuenternente Se forman amplias
planicies y pantanos en las zonas vecinas a las márgenes del rio. Los rIos viejos no tienen
rápidas o ealdas, pero cerca de ellos pueden haber lagos con forma de cuemo o herradura,
que son restos de meandros abandonados y que se cortaron en forma natural.
Por condición de estabilidad
En los rios se distinguen trescondiciones de estabilidad: estática, dinámica y morfolOgica.
a. Estática. Un cauce tiene estabilidad estática, cuando la corriente es capaz de arrastrar
sedimentos, pero no puede mover y arrastrar las partleulas o los elementos de las orillas.
Como ejemplo se tienen los tramos de rios en que las mârgenes son rocosas 0 tienen muy
alta cohesiOn, foto 11.10.
b. Dinámica. Un cauce tiene estabilidad dinámica cuando las variaciones de la corriente, los
materiales de Ia plantilla y de las orillas, y los sedimentos transportados han formado una
pendiente y una secciOn que no cambian apreciablemente afio con año. En esta condiciOn, el
rio sufre desplazarnientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las márgenes
- 3
exteriores y depósito de sedimento en las interiores. Todos los gastos, antes de producirse un
desbordamiento, escurren por un iinico cauce que no tiene islas o bifurcacionës. Como
ejemplo se tienen los rIos de planicie formados por un i’inico cauce; fotos 11.2, 11.7 y 11.8.
c. Inestabilidad dinámica. El rio escurre por un solo cauce, como se indicO para Ia
estabilidad clinámica, pero se presenta cuando el desplazamiento lateral de los meandros es
muy intensa y por lo tanto, el corte natural de ellos ocurre muy frecuentemente. Por una
parte, el rio trata de alcanzar su pendiente de equilibrio al desarrollar sus meandros y por otra
estos se estrangulan rápidamente y së cortan. Debido a lo señalado el tramo de rio no
alcanza a estabilizar su pendiente.
d. Morfologica. Este grado de estabilidad es el concepto más amplio; es decir, en cualquier
cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho y ci tirante de su sección
transversal, asI como el nümero de brazos en que se divida el cauce, dependen del gasto
lIquido que escurre anualmente y de su distribuciôn, de las caracteristicas fisicas de los
materiales que forman el fondo y orillas, y de la calidad y cantidad del sedimento, que es
transportado; éste Ilega al tramo, tanto procedente de aguas arriba como de aportaciones
laterales. En otras palabras, cualquier corriente natural no alterada por factores humanos
tiene estabilidad morfolégica, por ello un cauce que en forma natural tiene estabilidad
estática o dinámica, también la tiene morfológica, véanse las fotos 11.1 a 11.3 y 11.5 a 11.8.
Como complementoa lo expuesto véase el apartado 12.7 del capitulo Estabilidad de cauces
de este mismo manual.
Portramos
Una clasificación por tramos a lo largo del recorrido de un rio fue propuesta por Lojtin y es
la siguiente:
4
TIPO DE CAUCE D/S0 Fr
Altamontafia >10 >1
Montafia >7 0.7 a 1
Faldas de montafia >6 0.045 a 0.7
Interrnedio >5 0.2 a 0.45
Planicie (cauce arenoso)
a) Rio caudaloso
b) Rio poco caudaloso
>2
>1
0.14 a 0.44
0.44 a 0.55
Nota: D diárnetro medio de las partIculas del fondo en m. S0 pendiente hidráulica, en rn/rn
y Fr nümero de Froude expresado como
Fr = U
(11.1)
donde U y d son la velocidad media y el tirante, de Ia corriente, asociados al gasto formativo.
Segün los grados de libertad
a. Un grado de libertad.
Cuandoal variar el gasto-en un cauce o canal-solo varfa eitirante,-se dice que existeun
grado de libertad. Esto ocurre si el fondo, las paredes y la pendiente no cambian al variar
el gasto; por ejemplo, un canal revestido. CuandO se tiene un grado de libertad no existe
transporte de sedimentos.
b. Dos grados de libertad.
Cuando solo pueden variar ci tirante y Ia pendiente, se dice que ci cauce tiene dos grados de
libertad. Esto puede ocurrir cuando las márgenes son muy resistentes pero ci fondo no,
véasefoto 11.10.
5
C. Tres grados de libertad.
Si además del tirante y la pendiente, también pueden alterarse las márgenes y ajustarse al
ancho, se dice que el cauce tiene tres grados de libertad, véanse fotos 11.7 y 11.8.
Esto se trata con más detalle en el apartado 12.2.2 del cap. 12, Estabilidad de cauces de este
mismo manual.
Por el material de las márgenes y el fondo
a. Cohesivo. Son los cauces alojados en materiales predominantemente arcillosos.
b. No cohesivos. Ocurre en los cauces alojados en material que no desarrolla cohesion,
sino que está formado por partIculas sueltas. Se clasifican a su vez, segün el predominio del
material grueso, en boleo y cantos rodados si Dm> 64 mm, o en grava y arena si 64> Dm> 2
mm y en arenoso Sj 2> Dm> 0.062 mm. Siendo Dm el diámetro medio de las partIculas.
c. Acorazados. Son aquellos cauces donde debido a lo extendido de la granulometrIa
(ag> 3), puede ocurrir el arrasfre de las partIculas más finas, lo que permite la formación de
una capa protectora o coraza de material grueso en sus superficie, la cual mantiene debajo de
ella a toda la granulometrIa original incluyendo los granos más finos, véanse fotos 11.11 y
11.12.
d Bien graduados o con granulometria extendida Son aquellos en que Ia desvzación
estándar de los diámetros es mayor que 3 (a > 3). Entran en esta clasificación los
sedimentos del fondo compuestos por una gran variedad de tamafios.
e. Ma! graduados a de granulornetrIa unforme. Ello ocurre si 0g < 3• Cuando los
tamafios de las partIculas siguen una distribución log-normal o logaritmica, la desviación
estándar geométrica, ag vale:
D16
6
D84 D5o FD8412——
D50——
D16 —[—J (11.2)
Siendo D el diámetro de la muestra en que ci porcentaje i en peso, es menor que ese tamafio.
Por geometria
a. Rectos. Normalmente esto ocurre en pequefios tramos y son transitorios, ya que con
cuaiquier irregularidad en la forma del cauce o en su alineamiento, o con la formación de
bancos, o bien alguna obstrucción temporal, se originan disturbios locales que producen
flujos transversales que inician la formacián de curvas y meandros. Un criterio para definir
cauces rectos indica que Ia sinuosidad no debe ser mayor de 1.2 (ref. 9). La defrnición de
sinuosidad se muestra en Ia ec 11.27, véanse las fotos 11.2 y 11.13. Los tramos rectos o casi
rectos se presentan también cuando ci rio escurre a io largo de una falla geológica.
b. Sinuosos. La sinuosidad es mayor de 1.2 pero menor de 1.5, véase foto 11.2.
c. Con meandros. Son aquellos en que la sinuosidad es mayor que 1.5. Los cauces
presentan curvas altemadas unidas por tramos rectos y cortos, véase Ia fig 11.1.b o foto 11.8.
Normaimente Ia pendiente es baja. Estos cauces pueden presentar erosion en las rnárgenes
exteriores de las curvas, principaimente en los tramos de aguas abajo. Existen profundas
depresiones del fondo en las curvas y altas velocidades en la cercanla de las márgenes
cóncavas. Los tirantes en las transiciones son menos profundos si se comparan con los que
ocurren en las curvas.
Los cauces con meandros pueden a su vez clasificárse como: a) con curvas “superfIciales” y
b) con curvas en “trinchera”. Los primeros cambian su curso en ci transcurso dci tiempo, y
los segundos permanecen fijos ya que generalmente son cavados en materiales resistentes.
V
V
7
Los meandros segün su movimiento hacia aguas abajo, y silos cortes ocurren en una misma
zona, pueden clasificarse en estables o muy inestables.
d. Trenzados. A este tipo pertenecen aquellos que no presentan un solo cauce, sino por el
contrario, continuamente a lo largo de su recorrido, se dividen en varios cauces que se
entrelazan y se vuelven a separar. Estos cauces son amplios y las márgenes no están bien
definidas. Con gastos bajos, existen dos o más cauces principales entrelazados y se forman
cauces secundarios, vease la fig 11.1.c. En las crecientes, el agua cubre todos los cauces y
grandes cantidades de sedimento se depositan rellenando los cauces antiguos. Por ello, en la
siguiente época de estiaje se forman nuevos cauces entrelazados. Generalmente estos cauces
tienen pendientes altas, el material es grueso y ilegan a ellos grandes cantidades de V
sedimentos. La principal caracteristica de los rios trenzados es que están sujetos a un
proceso de sedimentación. V
V
e. Con Islas. Son los cauces que presentan islas en su interior, las cuales pueden
desplazarse hacia aguas abajo. Cuando una isla permanece uno o más afios ensu mismo
sitio es cubierta por vegetación, véanse fotos 11.6, 11.7 y 11.14.
f. En estuario. Estos se presentan en las desembocaduras a los océanos y están altamente
influenciados por las mareas y contener estratos o mezcla de agua salada.
g. En pantano. Los cauces de estos rIos, normalmente son muy amplios por no existir
V pendiente o ser muy pequeña, además presentan zonas muertas y saturadas por altos niveles
freáticos. Los tirantes son reducidos y se crea un ambiente favorable para el crecimiento de
la vegetación.
a) Recto
b) Con meandros
Barras
C) Trenzado
Fig. 11.1 Configuración de rIos
9
h. Deltas. Pertenecen a este tipo de rios, aquellos que arrastrañ grandes cantidades de
seclimento y que desembocan en el mar con mareas reducidas. El material depositado
forma inicialmente flechas paralelas al flujo que delimitan las márgenes del cauce dentro
del mar. Posteriormente el material que se sigue depositando y la acción del oleaje
incrementan el ancho de las flechas. Por otra parte, a! ocurrir grandes avenidas o
tormentas, las flechas se rompen en algn sitio por donde encuentra salida parte del flujo
y el proceso descrito se repite en ese nuevó cauce. Este proceso produce un abanico de
sedimentación cuya forma se asemeja a la letra griega D, de donde viene su nombre. Los
deltas presentan siempre varios brazos.
Por condiciOn de transporte
En términos generaics sc considera que los tramos de los rIos pueden estar sujetos a un
proceso de erosion o sedimentación o en equilibrio. Una clasificación importante de los rIos
relacionada con estos aspectos, es la propuesta por Schumm (1963), la cual está basada en la
carga de sedimento, pues considera que dicho factor afecta significativamente la estabilidad
del cauce, su forma y su sinuosidad. Establece tres tipos principales de cauces: estable,
erosionable y depositante, y propone. subclases dependiendo del modo de transporte del
sedimento, ya sea en la capa del fondo, mixto y en suspensiOn. En la tabla 11.1, se
reproduce dieha elasificación.
CaracterIsticasfIsicas
La mOrfologIa de los cauces cambia con el tiempo y es afectada principalmente por el gasto
Q, material transportado del fondo QBT, diámetro representativo del material del fondo D,
pendientç del lecho S, relación entre el ancho de la superficie libre B y el tirante .d de la
sección transversal F = Bid, y la configuraciOn de curvas, ya sea sinuosidad o meandreo en
planta P. Se puede considerar que F y P son variables dependientes, en tanto que Q y d son
independientes. Sin embargo, existe incertidumbre en el caso de QBT y S. Si se trata de Ia
10
parte inicial de un•rIo, Ia pendiente es determinada por factores geológicos, por lo cual es una
variable independiente, y por consiguiente, Q, S y d determinan la magnitud del transporte
de sedimentos QBT’ siendo esta ültima una variable dependiente. Sin embargo, si se trata de
Ia parte final del rio, Q, QBT y D son independientes y por lo tanto, S dependerá cle F y P.
Cada tramo de un rio tiene diferentes alineamientos, formas de sección transversal de cauce,
materiales en ci fondo y en las márgenes, pendiente y caracterIsticas del valle a lo largo del
cual escurre. Existen factores que afectan directa o indirectamente a la configuración de un
rio, ref. 6, las más importantes son el gasto, pendiente longitudinal, transporte de sedimentos,
resistencia de las márgenes y del fondo al movimiento del agua, vegetación, temperatura,
geologia y actividades humanas. Es necesario hacer notar que muchas veces, en los factores
anteriores, son más importantes sus interrelaciones, que Ia influencia de cada uno por
padAI pór éjénipió, ii jièñdiiñ 1oiiitudinal, La carga de sedirnento y Ia resistencia
de las margenes y del fondo al movimiento, son interdependientes, pues están estrechamente
ligadas entre si.
Velocidades
El punto de maxima velocidad en Ia seceiôn transversal de un rio es normalmente cle un 25 a
un 30% más grande que Ia velocidad promedio. En cauces arenosos de planicie, la velocidad
media maxima corresponde a Ia velocidad promedio durante una avenida y varia de 2 a 3
- --mJs. La-velociclad media minima corresponde alavelocidad promediodel gasto base y varia
de cero a 0.6-1.0 m/s.
Pendientes
Las pendientes varIan principalmente con el gasto y las caracterIsticas fisiográficas.
Disminuye a lo largo del recorrido del rio y como esto se asocia con ci aumento del gasto, la
pendiente disminuirá al aumentar el caudal del rIo. Para el caso particular de los rios de
Alberta, Bray en 1973, propuso Ia siguiente ecuación para caicular la pendiente
Forma del transporte de sedimento
M% Estable Con depOsito Con erosiOn
En suspensiOn del 85 al 100%
100 F<7 P>2.1S baja
El principal depOsito ocurre en las márgenes que origina ci estrechamiento del cauce. El deposito en ci fondo es menor.
Predomina Ia erosiOn del fondo. Poca ampliaciOn de márgenes.
En suspension del 65 al 85%yenelfondodel 15%a135%
30 7< F> 251.5 <P> 21S moderada
Es importante ci depOsito en las márgenes pero también el del fondo.
Es iinportante Ia erosiOn del fondo y Ia ampliaciOn de las márgenes. V V
-
Dc fondo del 35 al 70% <5 F>25 1<:P>1.5S alta
DepOsito en ci fondo y formaciOn de islas.
La erosiOn del fondo es baja, pero IaampliaciOn del cauce es muy importante.
11
S = 0.003634 M°38 Q432 (11.3)
siendo Qm ci gasto medic anual, en m3/s yM el porcentaje de sedirnento transportado
menor de 0.074 mm, tornado de la curva granulometrica correspondiente. Conviene tener
en mente que 0.074 mm es la apertura de la malla 200. El sedirnento transportado
menor que 0.074 rn se denornina transporte de lavado.
Como puede observarse, al aumentar Q disminuye S. Esto también ocurre al disminuir
el tamaño del material sólido.
Tabla 11.1 ClasificaciOn de cauces seg’m Schumm
Estabilidad del cauce
donde: F = Bid; B ancho de Ia superficie libre, d tirante de Ia corriente P Sinuosidad, vet ec 12.27S = Pendiente longitudinal del fondo
Ejemplo 1: Se tiene una cuenca donde se estima que el coeficiente de escurrimiento
aumentará en los próximos afios. Actualmente el gasto medio anual es de 100 m3Is y M =
5.13, pero se calcula que ci nuevo gasto aumentará a 150 m3/s. Si se supone que M no
cambiará, ,cuá1 será la nueva pendiente a Ia que tenderá ajustarse el rio?
12
Empleando la ec 11.3 se tiene
S = 0.003634 (5.13 ).038 (150 j°32 0.00039 m / m
Al tratar sobre los cambios que se producen en los cauces naturales conviene tener en
mente que ocurren en diferentes lapsos. AsI un cambio en el gasto produce un cambio
inmediato en el tirante. Si Ia variación del gasto fuera permanente, por ejemplo por Ia
construcción cle una presa el tirante cambia en segundos. No ocurre lo mismo con el
ancho, él se ajustarã después de algunos afios y para que se ajuste la nueva pendiente se
requerirá un tiempo mayor. Si las márgenes de los rIos estan formadas con material poco
resistente y hay mucho transporte de sedimentos, el ajuste del ancho y pendiente puede
ocurrir casi simultáneamente si el tramo tiene una longitud reducida.
Sección transversal
En corrientes no perennes, la sección transversal tIpica es amplia, superficial y de forma
rectangular con relación ancho-tirante de 50 o mas. Los fonclos con grava, generalmente se
presentan en rIos de montana, en faldas de montafia e intermedios. Generalmente el fondo
está formado por material muy bien graduado que se encuentra bajo el lecho acorazado con
material grueso. Los rIos con fondo de grava, tienden a ser de tipo rectangular, con grandes
relaciones ancho-tirante. Bray en 1982, indicó que la relación ancho-gasto, para este tipo de
cauces, está mejor definido que la relación pendiente-gasto y propone las siguientes
ecuaciones
B = 4.75 Q°527 (11.4)
d = 0.266 Q°333 (11.5)
13
Siendo 13 el ancho promedio de la sección, en m, Q ci gasto, en m3/s para una avemcla con
perlodo de retomo de dos afios y del tirante promedio del agua, en m.
Ejemplo 2. En un rio con fondo de grava, cuyo gasto promedio para una avenida con perlodo
de retorno de dos años es de 150 m3Is, caicular el ancho y el tirante promedio de la sección
transversal.
B = 475 J5Q)0.527 =
66.6m d = O.266’15O)°’
= 1.4m F=B/d= 47.6
Para entender mejor ci significado del .gasto Q definido en este ejemplo véase ci inciso
11.2.6 y el cap. 12 “Estabiliçlad de cauces” de este mismo manual.
Otro criterio general que además toma en cuenta la presencia de material sóiido es ci
siguiente.
B = 43.7 M°39 Q,38 (11.6)
d = 0.514 M°342 Q°29 (11.7)
siendo Qm ci gasto medio anual, en m3/s, B ci ancho dc la superficie libre, en m, d ci tirante,
en m, ambos en condiciones de sección transversal ilena y M ci porcentaje de sedimento
transportado menorde 0.074 mm.
Ejemplo 3. Caleular la relación ancho tirante para un rio que transporta un gasto medio
anual dc 20 m3/s, sabiendo que ci material fino (D <0.074 mm) es menor de 10%
B = 43.7 (20)0.38 Q)4•3 = 55.6m
14
d = 0.514(10)0.342 (20)0.29 2.7m
F = B/d = 20.6
Otras relaciones entre el ancho y ci tirante en función del gasto, se muestran a lo largo del
capItulo 12, Eskibilidad de cauces de este mismo manual.
11.2.4 Márgenes
Los materiales de las mãrgenes cambian con la longitud recorrida por ci rio. En ci inicio
generalmente están constituidos pot roca o grandes cantos rodados. Al continuar hacia aguas
abajo, ci material de las márgenes cambia a gravas, arenas, limos y arcillas. Conviene hacer-
notar que las margenes no siempre están compuestas por material uniforme en todo el
estrato, sino que pueden estar estratificadas en capas. Las márgenes generaimente se
clasifican en cohesivas, no-cohesivas y estratificadas. Estas ültimas están compuestas de
capas de materiales con diferente tamafto, permeabilidad y caracterIsticas cohesivas. Si ci
material que predomina es Ia arcilla se denominan cohesivas.
Las márgenes formadas con materiales cohesivos son más resistentes a la erosiOn que las no
cohesivas o estratificadas y tienden a formar cauces estrechos mientras que las no-cohesivas
estan asociadas comünrnente a cauces anchos, véase foto 11.15.
Las márgenes de una corriente cambian continuämente en forma y dimension, debido a la
variaciOn de la velocidad, tirante, pendiente, densidad, viscosidad de Ia mezcla agua
sedimento, concentración del material del fondo y en suspension, caracterIsticas del material
del fondo y geometria del cauce.
Estimaciones recientes de la erosiOn de márgenes en rIos de E.U. indican que 575,000 millas
de márgenes estan en continua erosion. Los costos para protegerlas por métodos
convencionales normalmente exceden a los beneficios, por lo que son obras no rentables
15
desde el punto de vista económico. Sin embargo, dichas estimaciones también indican que
en corrientes pequeflas, con adecuados métodos de control, se pueden obtener soluciones con
bajo costo. Véase ci cap. 14, Estabilización y rectficación de rIos de este mismo manual.
La erosion de las márgenes es causada principaimente por Ia combinaciOn de los siguientes
factores, ref. 6.
1. Remoción de las particulas de la superficie de las márgenes, y sobre todo al pie del talud,
ya sea en forma continua o intermitente..
2. Fallas secuenciales de pequeños o grandes tramos del material en las márgenes.
La causa más comin de Ia falla de una margen es el ataclue de la corriente a su base. Al
ocurrir esto, el material erosionado es transportado hacia aguas abajo y la margen se vuelve
inestable hasta que falla. Esto puede ocurrir a través de una serie de fallas pequenas o como
una falia en masa de un gran tramo. En ambos casos, Ia falla puede ocurrir como un
despiome o como deslizamiento. La primera ocurre cuando en una margen cohesiva
saturada, sin drenaje libre, desciencle rápidamente ci tirante del agua. El deslizarniento se
presenta cuando ci peso del material de Ia margen htmeda, excede la resistencia al cortante
de las particulas sOliclas y falla ci talud, o cuando al subir ci nivel del agua, en cauces
arenosos, pasa de Ia condición de suelo saturado a sumergiclo.
.11.2.5 Transporte de material sólido
El tamaño del material transportado por ci fondo decrece hacia aguas abajo. Ello se debe
principaimente al decaimiento de la capacidad de transporte del fondo ocasionada por los
cambios de pendiente y sección y por Ia abrasiOn. Por tanto, en ci inicio del rIo es comiin
que existan boleos y cantos rodados y conforme avànza en su recorrido predominarán
gravas, iuego las arenas y finalmente el limo y las arcillas. Los dos üitimos materiales sOlo se
encuentran en los rios viejos, en su zona de planicie. El cambio del tamaño del material y Ia
16
reducción de la pendiente, hacen que conforme avanza el rio, cambie también el modo de
transporte de sedimento. Por tanto, en el inicio de su recorrido, el transporte en la capa del
fondo es el más importante, en tanto que en sus tramos finales lo es el del material del fondo
en suspension y el transporte de lavado. Véase el cap. 10, Transporte de sedimenios de este
mismo manual.
Se ha determinado que la forma de las secciones transversales esta bien correlacionada con
la cantidad de limo y arcilla en el cauce. AsI, la ecuación propuesta por Schumm en
1960, indica que
F = Bid = 255 M’°8 (11.8)
Gasto formativo
Una gran cantidad de ecuaciones de estabilidad de cauces han sido planteadas para canales
donde el gasto puede considerarse constante. En las corrientes naturales la variaciOn del
gasto tanto sólido como lIquido, puede ser muy amplia. En muchas corrientes la relación
entre el gasto máximo y el rnInimo puede ser de 1000 o más. Por esta razOn, Inglis introdujo
el concepto del gasto formativo, que puede definirse como el gasto hipotético que producirá
los mismos efectos, en la con±iguración del cauce, que la variación de los gastos reales.
Existen diversos criterios para determinar ci gasto formativo véase Garde et a! (1977) y el
inciso 12.3 del cap. 12, “Estabilidad de cauces” de este mismo manual. Sin embargo, el
propuesto por Schaffemak, conocido con el nombre de gasto dominante y modificado por el
USBR, parece ser ci más aceptable. Dicho criterio puede resumirse a través del siguiente
ejemplo. Supóngase que del registro histórico de una corriente, se conoce la distribuciOn de
los gastos medios de 274 avenidas, véase la fig 11.2a, asi como también la reiaciOn entre el
gasto iIquido y sOlido, véase la fig 11.2b, el gasto para ci que se obtenga el mayor transporte
de sedimento será el gasto dominante. Dicho gasto es el correspondiente a! valor más grande
3
-
17
del producto QBT DF, tal como se muestra en la figura 11.2c. Nótese que Ia curva de la fig
11.2c, se forma con los productos de las abscisas de las dos gráficas anteriores.
AL
Q,enm /s Q, en m3fs Q, en m3
200
160
200
160
200
160
120
80
40
20
(43)
(60)
(53)
(38)
120
80
40
20
120
80
40
20
lOOm
20 40 60 2 4 6 10 20 30 40 50
a) tF (No. de veces) b) T, en 10kg/rn3 C) T tF,en kg/rn3 iF
Fig. 11.2 Gasto formativo
Otros criterios más sencillos como el de Inglis, indican que el gasto formativo puede elegirse
entre la mitad y los dos tercios del gasto máximo. Blench propone que sea el gasto igualado
o superado el 15% del tiempo de una avenida.
Análisis cualitativo
Dc 10 presentado en los capItulos anteriores, se puede establecer que, cuando el gasto escurre
por un solo cauce, el ancho de Ia superficie libre del agua B, el tirante d, y la longitud de
onda de los meandros ML, están relacionados directamente con el gasto Q, y con la pendiente
S. Por tanto, se pueden establecer las relaciones (ref. 9)
QBT
B,d,]vfL
S
d,P
(11.9)
(11.10)
y tamblén FB QdM
(11.11)
donde QBT es el transporte del material del fondo, M el porcentaje de material fino
transportado y P la sinuosidad, véase Ia ec 11.27. Adelante se mostrará que P varIa de forma
- - -- inversaconQ,ec 11.21 yen forma directa con ML,ec_l1.20. Ei.significadode ML se
muestra en Ia fig 11.3. De acuerdo con lo anterior, se pueden establecer las
siguientes
ecuaciones para el análisis cualitativo. El signo 11+11 indica incremento y ei “-“
decremento de la variable
B, d, M, s (11.12)
if, d, M, s (11.13)
QBT B, d, Mt s p- (11.14)
if, d, Mi S, P (11.15)
F = Bid Q, M (11.16)
19
El empleo de las ecuaciones anteriores, puede ilustrarse observando los siguiente ejemplos.
Ejemplo 4. Se ha desforestaclo una cuenca y se estima que el gasto y el material transportado
aumentarán en los préximos aios. Se desea saber cuales son los cambios morfologicos que
deben esperarse en el rio principal de dicha cuenca.
Empleando las ecs 11.12, 11.14 y 11.16 se puede establecer que
Q Q M, S F, F (11.17)
Por tanto es de esperarse que ci ancho, la longitud de los meandros, y Ia reiaciôn ancho
tirante aumenten. Obsérvese que el tirante y la pendiente pueden aumentar o disminuir,
sin embargo, como la relación ancho tirante está muy influenciada por el tipo de
material y dicha reiación aumnta, es de esperarse que el tirante disminuya o al menos se
mantenga constante dado el aumento de B y F. En cuanto a la pendiente, ésta
probablemente aumente ya que la sinuosidad disminuye. Nótese que silos gastos sólido y
lIquido disminuyeran, como ocurre aguas abajo de una presa, ci análisis serla similar pero
habria que cambiar los signosdelaec 11.17
Q Q. if, d, M, S, p K (11.17a)
Ejemplo 5. Supóngase que se construye una presa en un rio, la cual retendrá gran cantidad
del sedimento transportado. Por tanto, en ci primer tramo, aguas abajo de la obra, ci gasto
sólido disminuirá notablemente, pero ci liquido no.
Empleando las ecs 11.12, 11.15 y 11.16 se obtiene
Q Q B4 d, MLJ S, p F (11.18)
20
Nótese que como decrece ci transporte de material sólido, ci tirante y la sinuosidad crecen,
en tanto que Ia pencliente y la relación ancho - tirante disminuyen. Como F disminuye, es
muy probable que el aneho también disminuya, lo cual generalmente ocurre. La longitud
de onda de los meandros probablemente permanecerá constante, sin embargo, como la
sinuosidad aumenta, se puede suponer que ML disminuirá.
Como se ha podido observar, el empleo de análisis cualitativo permite anticipar los cambios
que se pueden esperar al alterar las condiciones de una corriente natural estable. Esto es
importante, porque permite decidir las medidas a seguir durante ci gran perlodo de
inestabilidad que requiere una corriente para adaptarse a las nuevas condiciones.
11.3 Meandros
La evolución de los meandros puede clasificarse en dos categorlas: a) la migración hacia
aguas abajo de todo ci meandro y b) Ia expansiOn de la curvatura del meandro, su
estrangulamiento y finalmente ci corte del mismo. Sin embargo, ambos efectos pueden
presentarse simultáneamente en aigunos sitios, véase la fig 11.5 y foto 11.8.
El desarroilo de meandros incrementa Ia longitud del rIo y por consiguiente disminuye la
pendiente.
11.3.1 Parámetros principales
El meandreo es ci mecañismo por el cual un rio ajusta su pendiente, cuando la del valle por
donde fluye es mayor que la que requiere. La configuracion y geometria de un cauce con
meandros está determinada por la erosiOn y socavaciOn de Ia margen exterior o cOncava y ci
depósito de sedimentos a lo largo de la margen interior o convexa. En la fig 11.3 se
muestran los principales parámetros a tener en cuenta al estudiar un meandro, y son ci ancho
del meandro MB, la longitud de onda ML, ci ancho del cauce B y Ia sinuosidad P, dada por Ia
21
ec 11.27. Con gastos altos, la socavación del cauce ocurre en la parte exterior de la margen
cóncava y al pie de su talud. El depósito de este material ocurre en las transiciones y en la
zona interior de las curvas, véase la fig 11.3. Con gastos bajos hay depósito en las curvas, y
las transiciones tienclen a socavarse y proflindizarse.
Lane en 1957 analiza 144 rIos y establece una relación entre ci gasto medio, Ia pendiente, el
material del fondo y de las márgenes y de Ia forma del rio en planta. La ecuación que
propone para rIos con meandros y trenzados si el fondo es de arena, es la siguiente
= (11.19)
siendo S pendiente, en rn/rn, Q gastO medio anual, en m3/s y K un coeficiente que toma en
cuenta la forma del cauce en planta. En Ia fig 11.4 se muestra Ia gráfica de la ecuación
anterior, y se incluyen los valores K. Dicha gráfica debe usarse de Ia siguiente manera:
conocido el gasto medio anual y Ia pendiente del rio, se ubica un punto en dicha gráfica.
Si ci punto queda bajo Ia recta de K = 0.0017, el rio será meandreante, si está sobre Ia
recta de K = 0.01 será trenzado y si está entre las dos se tendrá un caso intermedio.
Ejemplo 6. Si se tiene una càrriente cuya pendiente es de 0.0001, y se calcula que el gasto
medio anual aumentará de 80 a 100 m3/s, se desea saber Ia posibilidad de que pudiera
convertirse en trenzado.
Empleando la grafica de la fig 11.4 ‘para Q = 100 m3/s, se puede observar que el punto se
ubica por debajo de Ia lInea con K = 0.00 17, por lo cual se concluye que ci rio continuará.
siendo sinuoso, y prácticamente serla imposible que con esa pendiente se volviera trenzado.
En contraste con ci meandro libre de una corriente, hay una gran cantidad de rios, donde
debido a su origen y a Ia resistencia del material donde se alojan, ci meandreo es
I I
100 1,000 10,000-
22
Figil.3 Mëandros
0.01
0.01 : 2.44
D 0.0017
O.OOl. w—.--
0.0001 — con meandros <
trenzado
intermedlo
0.00001 I-
0.1 1 10
* Ejemplo 0, en m3/s
Fig. 11.4 Relación entre el gasto medlo anual y Ia pendiente
23
prácticamente fijo; es decir, se trata de un cauce con meandros en trinchera. En 1977, Dury
concluye que los meandros atrincherados tienden a ser geométricamente similares en planta
a los meandros en material aluvial.
Existen cliversos criterios para determinar las interrelaciones de los parámetros principales de
los meandros, entre ellos destacan los siguientes:
Schumm en 1972, propone calcular Ia longitud de onda de los meandros ML y Ia sinuosidad
Pcomo
ML = 1935 Q34 M°74 (11.20)
p —094 I?.25 (11.21)
siendo Qm el gasto medio anual, en m3/s.
Cariston propone
ML = 166 Q°46 (11.22)
también en sistema mks.
Inglis usando los datos de Jefferson, propone para meandros super.ficiales en material grueso
que(ref. 1)
ML = 53.6 Q”2 6.06 B (11.23)
MB = 153.4 Q”2 17.38 B (11.24)
y para rIos en trinchera
ML = 46.0 Q”2 11.45 B (11.25)
MB = 102.0 QL2 = 27.30 B (11.26)
24
En las ecs 11.23 a 11.26, el sistema de unidades a emplear es el mks. El gasto y ancho
corresponden a las condiciones de secciôn transversal liena.
Cortes y cauces piloto
En la evolución de un meandro, las curvas aumentan su longitud, pero debido a la erosion de
las márgenes exteriores de las curvas, se produce un acercamiento entre las márgenes
cóncavas hasta que ocurre un estrangulamiento y éste se corta, véase la fig 11.5 (tomada de
la ref. 8). Esto sucede en una avenida grande cuando se excede la capacidad del cauce y el
agua pasa sobre la parte más estrecha, erosionando las márgenes y produciendo asI un canal
más corto Ilamado también corte orectificación. Eventualmente este nuevo cauce amplio y
profundo, alsia a! antiguo meandro dejándolo como un lago con forma de cuemo o
herradura.
a Separación original
b Separación al momento del corte (estrangulamiento)
Fig 11.5 Corte (estrangulamiento) de un meandro
25
En ocasiones se requiere controlar el corte de un meandro, bien sea para evitar una ruptura
violehta, que altere de manera importante el regimen ya establecido del rio, o bien, para
acortar o mejorar Ia navegación en ciertos tramos. Dicho control puede requerir desde Ia
construcción completa del corte necesario para rectificar a! rio, hasta solamente la
excavación cle un canal o cauce photo, que posteriormente el propio rio agrande hasta
alcanzar su equilibrio y conducir ci escurrimiento completo. Evidentemente también existe
el caso intermedio de cortes por donde solo se desvIe pennanentemente, parte del
escurrimiento total.
El diseño de los cortes artificiales, obliga a tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
a. El alineamiento de los dos extremos del corte debe ser tangencial a la dirección del flujo
principal.
b. La entrada al corte debe ser acampanada.
c. En lo posible debe realizarse la excavaciOn en material aluvial, es decir, en los sitios de
depósito del propio rio. Se debe cuidar que Ia energia a la salida, sea al menos igual a la
de la corriente principal de ese sitio.
El fondo del cauce piloto a la entrada y salida del mismo, coincide con la elevación del
fondo del rio en esos sitios. La profundidad de excavación del cauce piloto se lieva hasta la
lInea recta teOrica que une esas dos elevaciones.
El ancho del corte es el mayor valor obtenido de los siguientes criterios: a) el ancho debe ser
como mInimo igual a dos veces la altura del corte, ya que si parte del flujo tiene una acciOn
erosiva elevada y se desliza una parte de la margen, se evita que el cauce piloto se cierre,
b) ci ancho que garantice un radio hidráulico minimo que cumpla con la condición de que
ci esfuerzo cortante en ci fondo, t0 = yRS sea mayor que tres veces el esfuerzo
cortante crItico para iniciar el movimiento de las partIculas.
26
Todo b anterior implica que ci criterio para determinar las dimensiones de los cauces
pilotos, sea el de Ia sección más económica que asegure la ampiiación y ci buen desarroilo
del corte por el propio rIO. El cálculo hidráulièo debe hacerse teniendo en cuenta Ia
compatibilidad de los perfiles y gradientesde energIa, tanto con ci tramo aguas arriba como
con el de aguas abajo del corte.
Esto se realizará para diferentes gastos cle clesvIo y junto con el aspecto económico, se
elegira el más econémico. Es evidente que las ecuaciones de diseño de cauces son ütiles en
este caso, salvo que se emplearian tratando de que, mientras se está ampliando ci cauce
piloto, si exista arrastre del material sólido. En las refs. 3 y 6 se presentan algunas
experiencias en la construccion de cauces pilotos y en la 5 un método para su diseflo.
Sinuosidad y tortuosidad
La sinuosidad P de una corriente, se define como la reiación que existe entre la longitud del
thaiweg y la longitud del valle o sea
Long. thaiweg=
Long. valle(11.27)
- y Ia tortuosidad se expresa como --
Long. thaiweg - Long. valle Tortuosidad = xlOO (11.28)
Long. valle
Leopold y Wolman en 1957 (ref. 1), proponen que una corriente sea considerada
meandreante, cuando la sinuosidad sea mayor que 1.5. En los EU la sinuosidad de los rIos
varia dè I a 2.8 y en Ia India de 1.02 a 1.45. En términos generales se acepta que la
sinuosidad sea baja si está entre 1-1.3, inoderada de 1.3-2.0 y alta si es mayor que 2.0.
27
Curvas
Las curvas se clasifican en: superficiales, en trinchera y en deformadas o limitadas. La
forma de la sección varla mucho entre diferentes rios y aán en los tramos de una misma
corriente.
Una curva superficial es una curva cortada en material depositado y ci rIo normalmente
meandrea. La pendiente de la corriente es comünmente más baja que la del fondo del valle y
la longitud del cauce es mucho más grande que la longitud del valle.
Una curva en trinchera corta profundamente el lecho original y sigue la curvatura del valle,
por lo cual las paredes del valle forman parté de las márgenes de la corriente. La pendiente y
la longitud son las mismas para el valle y Ia corriente.
Richardson et al en 1975 (ref. 1), clasificaron las curvas en los rios naturales como curvas
libres superficiales, limitadas o en trinchera y forzadas o deformadas. Los valores’promedio
de la relación entre el radio de curvatura r y ci ancho B, para secciOn transversal liena, de los
tres tipos de curvas son los siguientes
Tipo de curvas r/B
limitadas 7.0-8.0
libres 4.5-5.0
forzadas 2.5-3.5
El radio de curvatura es medido al centro del cauce.
28
Tirante en las curvas
En las curvas de tipo libre y limitado, el tirante crece gradualmente desde la transiciónde
aguas arriba de la curva, alcanzando un máximo aguas abajo de ápice de la curva. En curvas
forzadas, el tirante crece rápidamente al comienzo de la curva hasta un máximo en la parte
media de la misma, luego decrece graclualmente hacia aguas abajo. El tirante máximo en la
curva puede calcularse con el criterio de Altunin (ref. 4), cuya ecuación principal es la
siguiente
dmax 6 d,rn (11.29)
d = profundidad media en el tramo recto situado aguäs arriba, en m
6 = coeficiente que depende del ancho de la superficie libre B y del radio de
curva tura r, ambos en m. En la tabla 11.2 se muestran los valorçs de 6
para diferentes relaciones (rIB).
TABLA 11.2 Valores de e
r/B co 6 5 4 3 2
6 1.27 1.48 1.84 2.20 2.57 3.00
Como complemento a lo expuesto véase el apartado 13.4 del cap. 13, “Erosion en rIos y
obras de protecciOn”, de este mismo manual. En las ecs 13.30 se muestran dos formulas
para valuar 6.
Efemplo 7. En la curva de un rio se han medido los tirantes máximos y son de 6 m; en el
tramo recto inmediato anterior el tirante tiene 2 m. Si el ancho de Ia superficie libre es de 25
m, ,cuál es el radio de curvatura?
29
Empleando la ec 11.29
£6/23
de Ia tabla 11.2, para e =3 se tiene rIB =2; por tanto el radio de curvatura mide
r=2B=2(25)=50rn
Flujo helicoidal en curvas
La fuerza centrIfuga que actüa a lo largo de un escurrimiento en una curva, produce una
sobreelevación de Ia superficie libre en la margen cóncava y un descenso en Ia margen
convexa, ref. 2. Esta sobreelevación asociada a una pérdida de energIa a lo largo del fondo,
produce un flujo helicoidal cuya velocidad transversal mueve la carga del fondo hacia la
margen convexa donde se acumula. La fig 11.6 muestra este flujo en forma esquemática.
Fig 11.6 Secciones tIpicas de una transición entre dos curvas
V
30
Existen varios criterios para calcular la sobreelevación en ci extradós de las curvas (AZ), ref.
8; sin embargo, las diferencias en los resultados obtenidos con cada criterio son pequeños,
ref. 9. La ecuación propuesta por Richardson en 1975 para flujo establecido es la siguiente
AZ =ir2 B gr
(11.30)
donde: AZ = sobreelevación en la curva, en
m U = velocidad media del flujo, en
rn/s g = aceleración de Ia gravedad,
en rn/s
r = radio de curvatura medido al centro del cauce,
en m B = ancho de la superficie libre, en m
Ejemplo & Se tiene una corriente que transporta un gasto de 50 m3/s con una velocidad
media de 1 m/s, en una curva con r = 50 m. Si ci ancho de la superficie libre es de 25 m,
determinar Ia sobreelevación del tirante en dicha curva.V
Empleando la cc 11.30
AZ =(112 f25
/ = O.051m‘ ‘ ‘
La sobreelevación del agua en la margen exterior será de aproximadamente 5. cm.
Erosion y depósito en curvas
V Como antes se habia indicado, las velocidacles son normalmente más altas en Ia margen
exterior o cOncava de una curva durante ci cscurrimiento normal, aunque en una avenida
grande las velocidades más altas se presentan cerca de la parte interior o margen convexa de
31
la curva. Las observaciones de campo indican que el 90% de la erosion de las márgenes
ocurre durante las avenidas.
Transiciones
Las transiciones se localizan entre las curvas que son donde el flujo cambia de una margen a
la opuesta, véase la fig 11.6, y son de secciOn casi rectangular en contraste con la forma
triangular o trapecial en las curvas. La pendiente de la superficie del agua en ci inicio de la
transición es normalmente plana y alta debido al depósito de material, sin embargo, a la
salida, se vuelve más pronunciada Ia pendiente.
Entre una sección curva y una transición, el tirante máximo decrece, asI como también el
ancho. En La fig 11.6 se muestran las secciones transversales tIpicas entre una curva y una
transiciOn.
Abanicos aluviales
Los abanicos aluviales son depósitos de sedimento cuya forma semeja un segmento de
secciOn cOnica, visto en planta parece un abanico y tiene una pendiente casi uniforme desde
ci ápice hasta ci borde final, véase la fig 11.7. Se presentan normaimente en areas áridas y
montauiosas con pendientes fuertes, aunque en ocasiones también se encuentran en zonas
hümedas. Ocurren en ci punto donde la corriente pasa de un cauce estrecho a otro muy
amplio, o bien cuando Ia pendiente se disminuye abruptamente como se muestra en la fig
11.7.
En ci ápice del abanico, donde las velocidades decrecen repentinamente, La corriente deposita
grandes cantidades de material, parte del. cual es arrastrado por las siguientes avenidas.
Dicho material continua moviéndose al ser transportado por ci agua, o bien comouna masa
de lodo.
32
Apice
Extremo final
Cso0 (‘S
>ci>w
Sección por eje del cauce
Distancia
Fig. 11.7 Abanico fluvial
Los canales que se forinan en los abanicos aluviales son generalmente en trinchera, y sobre
todo en el ápice, pero enmuchos casos son efimeros o intermitentes, aunque también los hay
perennes. El flujo en estos canales ocurre con tirante y velocidad mayor que la critica. Es
33
posible que el transporte de sedimento sea inestable y que continuamente el regimen cambie
de inferior a superior (al hablar de transporte y ondulaciones en el fondo).
11.7 Deltas
Los deltas están formados por ci deposito de material generalmente fino. Ocurren donde la
velocidad se reduce repentinamente por Ia entrada de la corriente a un gran cuerpo de agua
como puede ser tin lago, un embalse o ci mar. Los deltas tienen una forma generalmente
triangular y la corriente descarga a través de un gran sistema dé cauces de diferentes
dimensiones. Las principales variables que interviencn en su formación son La temperatura,
gasto, carga de sedimento, salinidad y Ia pendiente del rio. En ci caso especial de los
embalses, ci material grueso constituye la mayor parte del delta y el material fino se deposita
• aguas abajo de éste.
Como ejemplos de grandes deltas formados eon las descargas al mar se encuentran los de los
rIos Mississippi, Colorado, Nib, Ganges y Niger y en descargas lacustres como las del RIo
Catatumbo en ci lago Maracaibo en Venezuela. Los principales probiemas que se pueden
originar por la pr sencia de un delta son los siguientes:
a) Subsidencia del suelo y deterioro de niveles.
b) Dafios por inundación aguas arriba e intrusiones salinas.
c) Deterioro del medio ambiente.
Desde ci punto de vista hidráulico la alteración de los perfiles de escurrimiento y ci depósito
del material del fondo son los aspectos más relevantes de la formación de un delta. En
términos generales, Ia pendiente y el tamalio del material del fondo decrece en la direcciôn
aguas abajo. Esto es debido a que Ia fuerza tractiva no es suficiente para mover los
34
materiales más gruesos hacia agüas abajo. En el capItuló 18, Sedimentación de embalses de
este mismo manual, se presenta el criterio de cãlculo del delta en un embalse formado por
unapresa, vèasefoto 11.13.
Existen algunos casos donde. conforme Ia pendiente decrece, el gasto y Ia carga de
sedimentos aumentan, debido a! aporte de rios tributarios. Richards en 1982 propone la
existencia de una relación entre ci grado de concavidad del perfil longitudinal de un rio y el
incremento del gasto en la dirección aguas abajo. Sin embargo, ci cambio de la pendiente no
siempre es sistemático.
Los materiales del fondo son depositados en el siguiente orden: boleos, gravas, limos y
arcillas; sin embargo, cuando existe algün tributario importante puede alterarse el orden
anterior.
11.8 Ejemplo numérico
Se tiene un rio que drena una cuenca, que actualmente se encuentra en condiciones estables,
pero se pretende abrir una gran zona al cultivo de temporal, e instaiar represas para ci control
del sedimento grueso, por lo cual se estima que en el futuro caznbiarân significativamente las
condiciones de aporte de sedimento y de escurrimiento.
En las condiciones actuales ci rio transporta un gasto promedio anual de 60 m3/s y ci
material fino acarreado es ci 5% del total. Se calcula que en las nuevas condiciones, ci rio
transportará 80 m3/s y que ia carga de sedimento fino aumentará a un 50% dci total
transportado. Determinar los cambios morfologicos que probablemente ocurrirán en las
nuevas condiciones.
35
Algunos datos adicionales en las condiciones actuales son los siguientes. Sinuosidad 1.4.
La longitud del valle del tramo de rIo que interesa analizar, hasta su desembocadura a! mar,
esde50km.
En los siguientes cálculos se designará a las condiciones actuales con Ia letra “a” y a las
futuras con “f’.
a) Caracteristicas de la sección transversal (ecs 11.4 y 11.6).
Ba = 43.7 (60)038 (5y0.39 = 111
da = 0.514 (5)0.342 (60)029 =
2.92 Fa=38
Bf= 43.7 (80)0.38 (50)° = 50.2 m
df= 0.5 14 (50)0.342 (80)020 7
Pa = 7.17
b) Sinuosidad (ec 11.21)
Pa1.4
Pf= 0.94 (50)0.25 = 2.5
c) Pendiente (ec 11.3)
Sa = 0.003634 (5°38 (60)0.32 = 0.00053
Sf= 0.003634 (50°38 (80)0.32 = 0.0002 -
d) Longitud dcl thaiweg (ec 11.27)
LTa = 1.4 (50000) = 70000 m
36
LTf= 2.5 (50000) = 125000 m
Incremento de Ia longitud del thaiweg = 55000 m
e) Longitud dc onda y ancho de los meandros (ecs 11.20, 11.23 y 11.24)
MLa = 1935 (60)° (5)74 = 2366 m
MLf— 1935 (80)° (50)° = 475 m
corno ML/MB >> 0.35 (dividiendo 11.23 entre 11.24)
MBa = 2366/0.35 = 6760
rn MBf= 475/0.35 =
1357 m
f) Rdisd uriahfrã(äpartadó 11.4) con r/B = 4:75 setiene
ra:=4.75 (111)=527.3m
r= 4.75 (50.2) 238.45 m
g) Configuracián en planta
Usando Ia fig 11.4 con S = 0.00053 y Q = 60 m3/s, se puede observar que está lejos se ser
trenzado y como baja la pendiente para las condiciones futuras, se deshecha dicha
-posibi1idad - -
h) Clasificación
De acuerdo con las clasificaciones propuestas en el apartado 11.2, se trata de un rio viejo,
meandreante, estable, en ci que actualmente el principal transporte es de fondo. En las
condiciones futuras, transportar principalmente material en suspension el cual se depositará
en las márgenes y erosionará el fondo.
37
i) Análisis cualitativo
El comportamiento calculado del rio en las nuevas condiciones, comprueba el resultado del
segundo ejemplo del apartado 11.1.7, ec .11.18, donde se concluyó que el tirante y la
sinuosidad crecen, d varla de 2.29 a 7 m y P de 1.4 a 2.5; la pendiente y la relación ancho
tirante disminuyen, asI S cambia de 0.00053 a 0.0002 y F de 38 a 7.14. Por ültimo, el ancho
y la longitud de onda también disminuyen; B de 11 a 50 m y ML de 2366 a 475 m.
j) En función de los resultados anteriores serIa posible determinar las afectaciones que
pueden causarse aguas abajo. Por ejemplo, si el rio es navegable en la actualidad,
probablemente en las condiciones futuras causará problemas importantes, pues aunque
aumenta ci tirante, disminuyen significativamente el ancho y aumentan la sinuosidad y la
longitud de recorrido.
11.9 Referencias
1. Garde, R. J y Ranga Raju, K. G., 1977, “Mechanics of sediment transportation and
alluvial stream problems”, Haisted, India.
2. Jansen, P., 1983, si “Principles of River Engineering”, Pitman, London.
3. Jogiekar, D. V., 1971, “Manual on river behaviour control and training”, Publication
No 60, Central Board of Imgation and Power, New Delhi.
4. Maza, J. A., 1987, “Introduction to river engineering”, Division de Estudios de Posgrado,
Facultad de Ingenierfa UNA.M.
5. Maza, J. A. y Mancebo del Castillo, U.; 1974, “Cálculo de las dimensiones Optimas para
uii cauce piloto al cortar un meandro”. Revista, Reeursos Hidráulicos, Vol III, No 2,
pp 160-168, Mexico, D.F.
38
6. Petersen, M. S., 1986, “River Engineering”, Prectice Hall, USA.
7. Schumm, S. A., 1972, “River Morphology”, Dowden Hutchinson Ross, USA.
8. Shen, H. W., 1979, “Modelling of rivers”, John Wiley & Sons, USA.
9. Simons, L., 1982, “Engineering Analysis”, Simons Li and Associates, USA.
39
Foto 11.1Cauce en la zona de montafia. El material del fondo está’bien graduado. Las márgenes son resistentes a la erosion, y por tanto el cauce tiene dos grados de libertad.
Foto 11.2Valle en V producto de la erosiOn flüvial. La parte inferior del valle se encuentra cubiertade material aluvial y el rIoescurre sobre él. El rio está formado por un solo cauce estable. El cauce principal de estiaje y el cauce de avenidas se aprecian claramente.
40
Foto 11.3El material grueso que no puede ser arrastrado en estiaje, liega a formar rápidas como la que se aprecia en la fotografia. Debido a las fuertes pendientes, el flujo es supercrItico en algunas zonas. Los afluentes están bajo un proceso de erosion aunque lento, debido a la resistenciadelmaterial que-1osforma-
Fotoll.4..Cauce con dos grados de libertad, que escurre en el fondo de un valle en V. El material removido para Ia formación de los caminos y que ha sido arrojado al rIo ha formado laalteración que se muestra en la fotografla.
41
Fbto 11.5Tramo de rio donde hay cambio dependiente y por tantodonde se deposita material. Dicho trano se encuentrabajoun proceso dc sedimentación. En estiaje el cauce es trenzado.
Foto 11.6Banco de arena que emerge durante elestiaje. Las márgenes del rIo están constituidas con material más resistente a la erosion que el material del fondo.
V V
42
.Fotoll.7Cauce con estabilidad dinámica,dos afios antes el rio escurrIa por el extremo izqüierdô inferior de la fotografia y a lo largo del dique longitudinal que se aprecia en la seccion media ‘del lado izquierdo. Movimientos posteriores del cauce favorecen la sedimentación del material que se aprecia en la parte inferior, con el consiguiente commiento del cauce principal hacia Ia derecha.
Fotó 11.8Meandros. Las orillas extêriores de las curvas están siendo erosionadas, mientras que en là margen interior hay sedimeritación del material aluvial. Los depósitos recientes an no se cubren con vegetación. Al continuár este proceso uno de los dos meandros se cortará en forma natural. ‘.
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Foto 11.9Protección de una margen con espigones. Se aprecia el depósito de sedimentos aguas abajô de ellas. Debido a los cambios prodücidos aguas arriba, Ia corriente ha dejado de atacar Ia margen protegida y se inicia una etapa de sedimentacióri.
Foto 11.10Cauce con grados de libertad, ya que el ancho es constante debido a Ia resistencia de las márgenes. Unicamente el fondo puede ser erosionado, aunque en la etapa actual etá en equilibrio.
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Foto 11.11 - -- -
RIo formado por un solo cauce. El material de las orillas está bien graduado ycubierto parcialmente de vegetación que lo protege. En ci fondo hay grava y arena quellega acorazarse en algunos tramos.
Foto 11.12.Cauce con márgenes resistentes y fondo formado con material no cohesivo. Parte del fondo
se encuentra acorazado. Todo ci gasto de avenidas pasa por un sól6 cauce, aunque con
gastos muy pequefios afloran algunas zonas deifondo.
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Foto 11.13Depósitos producidos en la parte final del embalse de una presa. En época de avenidas Se encuentran cubiertos por el agua. En estiaje se forma el cauce observado en la fotografia.
Foto 11.14Aspecto de un cauce en que se ha desarrollado una isla. Esta se encuentra ya parcialmente cubierta por vegetación. Ello incrementa el coeficiente de rugosidad, disminuye las yelocidades de los escurrimientos y favorece el depósito de material arrastrado en suspension, con lo que año con aflo se incrementa la elevación de la isla tendiendo a Ia misma elevación de la planicie.
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Fotoll.15Margen sujeta a erosion. Se aprecian los derrumbes del material que\ constituye la orilla. Aguas abajo se observa dicha orilla cubierta con vegetación que no ha sido erosionada.