PARTE 2: HIDRÁULICA FLUVIAL

NOCIONES BÁSICAS CON RELACIÓN EN LOS ESTUDIOS DE INGENIERÍA FLUVIAL

Hidráulica De Flujos En Canales Abiertos • El régimen fluvial en ríos aluviales

depende de las características de los flujos y del transporte de sedimento.

• Parametros hidráulicos claves son la

fuerza de arrastre, la velocidad del flujo, la resistencia al flujo , la pendiente.

• Las teorías de flujos en canales abiertos han sido desarrollados para fondo fijo.

Fuerza De Arrastre • Es una noción bastante compleja. • No existen métodos para medirla. • Los cálculos son basados en hipótesis muy

primitivas y no toman en cuenta la estructura real del flujo.

• La formula usual es τo = ρ g R Sf

τo la fuerza de arrastreρ peso específicog aceleración de gravedadR radio hidráulicoSf pendiente de la línea de energía

Velocidad Del Flujo • La velocidad del fluvo en canales naturales

es turbulente. • Los cálculos hidráulicos cuentan con la

velocidad promedia, y el efecto de la turbulencía se incluye en coeficientes tales como de resistencia al flujo, y de dispersión o de mezcla.

• El perfil vertical de velocidad tiene relación con la fricción al fondo y con la turbulencia.

Velocidad Del Flujo • La formula de un perfil de velocidad en una

vertical es logarítmica, cual ley fue determinada en laboratorio en condiciones de flujo bidimensional.

• La forma del perfil de velocidad depende no solamente de la “rugosidad” del fondo, también de otros factores tales como la distribución spacial de las corrientes, o los flujos secundarios (tal como helicoidales), etc.

Velocidad Del Flujo • Existe una relación teórica entre la forma

del perfil vertical de la velocidad y la fuerza de arrastre, el parámetro básico para los cálculos del transporte de sedimento.

• El ángulo de la recta obtenida por la relación de la velocidad en función del logarítmo de la profundidad da la velocidad de arrastre V*.

Velocidad Del Flujo • Cuando el perfil vertical de velocidad tiene

forma logarítmica, la fuerza de arrastre se obtiene por multiplicación del peso específico con el cuadrado de la velocidad de arrastre . V*²

• La fuerza de arrastre calculada con el perfil de velocidad puede ser muy diferente de la misma calculada por la formula con la pendiente de la línea de energía.

ρρ

Resistencia Al Flujo

• La resistencia al flujo es el resultado de los procesos de disipación de energía mecánica en calor.

• Este proceso de disipación depende de la fricción del flujo al fondo y en las orillas, pero también de la turbulencía y de otros procesos internos.

• La estructura de la turbulencia depende de la rugosidad del fondo y de la forma del lecho.

Resistencia Al Flujo • En teoría, existe una capa límite laminar, debajo del flujo

turbulente, determinante para la resistencia al flujo.

• sin embargo esta capa no existe realmente en flujos naturales en ríos, cierto no cuando el lecho está móvil, con transporte de sedimento.

La Pendiente • En un río natural, la pendiente de la

superficie o de la línea de energía varía bastante debido a las diferentes perdidas de carga.

• Estas variaciones no se observan fácilmente; hay tambien pendientes transversales.

• La observación de pendientes locales puede dar indicaciones muy útiles en un análisis del comportamiento de un río.

Hidráulica De Flujos En Ríos Aluviales

• Los mecanismos de transporte de sedimento son muy complejos y no existe una teoría aceptada por todos expertos.

• La mayoría de las teorías han sido desarrolladas con base en ensayos de laboratorio, en condiciones muy diferentes de las que encontramos en el campo.

El Sedimento • Un río puede transportar materiales muy

diversos, tales como arcilla, arena, piedras, rocas, arboles, hierbas, etc.

• El sedimento tiene mayor tamaño en las partes altas de las cuencas . En la partes media y baja, el sedimento tiene raramente tamaño mayor a grava.

• Sedimento con el tamaño de las particulas menores a arcilla tiene cohesión.

Mecanismos De Transporte De Sedimento

• Carga de material de fondo: es todo material sólido que es parte del lecho. • Carga de lavado: es el material traído por el flujo y que no baja

al fondo; es parte de la calidad del agua.

Mecanismos De Transporte De Sedimento

• Transporte de fondo: movimiento de partículas sólidas en contacto con el lecho.

• Transporte en suspensión: movimiento de partículas sólidas suspendidas en el agua.

• Transporte en saltatión: movimiento de partículas sólidas del fondo que saltan hasta cierta altura para caer de nuevo al fondo.

Crítica De Las Teorías De Transporte De Sedimento

• Mediciones de campo han demostrado que no se distinga tán fácilmente el transporte por arrastre del transporte en suspensión.

• Poca teorías permiten contar con transporte de material de granulometría extendida.

• Proponemos la defición de carga morfológica: todo material que participe a los cambios de forma del lecho.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• El entendimiento de la formación de las formas del lecho es muy limitado, basado pricipalmente en ensayos de laboratorio.

• Las formas del lecho cambian en permanencia en función de las condiciones hidráulicas, pero más de la diferencia entre la capacidad de transporte y la tasa de transporte del sedimento.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• La clasificación usual ha sido establecido con base en estudios en el Laboratorio de Fort Collins (EUA, desde los años cincuenta).

• Los pocos estudios con mediciones de campo han mostrado los limites de las teorías.

• No hay formulas teóricas satisfactorias para predecir las formas del lecho o para calcular la resistencia al flujo.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• Risos • Risos sobre dunas • Dunas • Dunas suavisadas • Fondo plano • Antidunas • Antidunas con

rompimiento de la onda

• Rápidos y remansos

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• Relación entre la forma del lecho, el poder del flujo por superficie unitaria y el diámetro de caída medio de las partículas sólidas.

• Los risos no existen para partículas de más que 0.65 mm.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• La resistencia al flujo aumento en el régimen inferior, desde risos hasta dunas.

• La resistencia al flujo cae en la transición. • La resistencia aumento nuevamente en el régimen superior.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

• Antidunas en un río con flujo supercrítico, en un canal estrecho entre la orilla y una barra central.

• La antidunas no pueden aparecer con un número de Froude inferior a 0.8.

Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil

La antiduna puede mantenerse imóvil, o moverse aguas arriba, o aguas abajo. La fotografía es un ejemplo de antiduna con rompimiendo de la onda.