UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Asignatura :

Hidráulica Fluvial

Titulo :

Transporte de sedimentos

Catedrático :

Msc. Ing. José del Carmen Pizarro Baldera

Alumna :

Norma Rocío Moisés Gonzáles

Código :

013022

Fecha de Entrega :

09 de Octubre de 2008

TARAPOTO-PERÚ

Introducción

La sedimentación es el proceso por el cual el material sólido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo del río, embalse, canal artificial, o dispositivo construido especialmente para tal fin.

Toda corriente de agua, caracterizada por su caudal, tirante de agua, velocidad y forma de la sección tiene una capacidad de transportar material sólido en suspensión. El cambio de alguna de estas características de la corriente puede hacer que el material transportado se sedimente; o el material existente en el fondo o márgenes del cauce sea erosionado.

Nos correspondo hablar del transporte de sedimentos ya no en un contexto general sino específicamente en canales naturales que surge como consecuencia de la depresión natural del terreno (ríos, quebradas, etc.) .De manera que seamos capaces de plantear soluciones técnicas sostenibles a este problema que de ninguna manera debe ser desatendido cuando se evalúan obras de regulación de ríos, diseño de puentes, defensas ribereñas, bocatomas, presas de embalse y otros.

Transporte de Sedimentos

3. 1 El problema del Transporte de Sedimentos.

Los problemas que se presentan en los diseños de estructuras hidráulicas cuando se necesita evaluar de manera confiable los volúmenes de sedimentos que los ríos transportan hasta las obras y que a menudo ocasionan fallas en la operación de bocatomas y presas de embalse, en el control de las inundaciones y en las protecciones de las márgenes, se deben a los siguientes factores:

Deficiencia en la información cartográfica e hidrometeorológica de las cuencas vertientes, y de caudales líquidos y sólidos en la mayoría de los ríos.

Desarrollo aún incipiente de los métodos de medición de sedimentos y de aplicación de fórmulas empíricas a casos reales.

Cambios en las prácticas tradicionales de manejo de la cuenca después de construidas las obras.

En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que se aplican en el diseño de las obras pueden resultar excesivas o deficientes; en el tercero, el pronóstico hecho con base en la información histórica resulta irreal.

Por las razones expuestas, para lograr un buen diseño de las obras que van a estar sometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, además de la información histórica existente, la relación que existe entre la cuenca como productora de sedimentos y el río como conductor de los mismos.

Clasificación de los Sedimentos.

La carga total de sedimentos que transporta una corriente natural es la suma de tres componentes que son:

Carga de fondo.Sedimentos en suspensión.Sedimentos en saltación.

3.2 La carga de fondo

Esta mantenido por el material sólido que se mueve en las proximidades del lecho y por materiales gruesos que son transportados desde la cuenca por procesos de remoción en masa.Se trata de partículas de 2mm en adelante que son arrastrados por la corriente y que esencialmente se deslizan por el fondo del río. En avenidas grandes los ríos de fuerte pendiente son capaces de arrastrar gravas y bolones decimétricos.

La caga de fondo esta relacionado con los procesos erosivos en la cuenca:

Con la deforestación Del tipo de suelo Pendiente de la cuenca Tipo de material de la cuenca Caudal

Este volumen de sedimentos se mantiene cuando las condiciones de la cuenca son las mismas por lo que se requiere un mantenimiento del estado con un plan de mantenimiento de cuenca.

Para el cálculo del transporte de sólidos existen 16 magnitudes que fluyen en el transporte :1.- Q [ m3/ s], caudal

2.- mF [ kg / m / ], masa de sólidos transportada en un determinado ancho y rfeferida a un determinado tiempo.

3.- Cs [ kg / m3 ], contenido en masa de material sólido por unidad de volumen de agua

4.- b [ m ], ancho del canal

5.- h [ m ], tirante

6.- rhy [ m ], radio hidraulico

7.- v [ m/ s], velocidad

8.- IE [ - ], pendientre de la línea de energia en la dirección del flujo.

9.- [ - ], Kst [ m1/3/ s], coeficiente de resisitencia (fricción)

10.- v [ m2/ s], viscosidad cinematica

11.- p [t/ m3 ], densidad del flujo

12.- *pF [t/ m3 ], densidad del material (normalmente 2.65 t/ m3 )

13.- d50 ó dm [ m m], diametro caracteristico

14.- U = d60 / d10

15.- FF = c / Vb.a Factor de forma normalmente = 0.7

16.- Geometria en planta del meandro. - pequeños - grandes etc.

* Se puede despreciar En (16 ) se puede considerar un canal recto

Las condiciones que se pueden establecer son:1. Q = V.A2. = 8g rhy IE/ (ν 2)3. rhy = A/P4. = f(v, h, d50, µ)5. mf = f(v, h, d50, µ)6. relación entre b/h7. vista en planta con la carta nacional.

Dado que tenemos 16 variables y 7 ecuaciones entonces el calculo es imposible de realizarlo por lo que solo tendremos aproximaciones.

La cuenca vertiente contribuye con sedimentos a la carga total de una corriente natural de dos maneras:

a. Remoción en masa. Este fenómeno está asociado con deslizamientos de grandes masas de material sólido  que se han concentrado en sitios inestables. La inestabilidad es causada por factores geotécnicos que tienen que ver con las pendientes de los taludes, el manejo inadecuado del suelo, la tala de árboles y el almacenamiento de agua lluvia en los suelos.

Las masas de material permanecen por algún tiempo en un equilibrio precario en los sitios inestables, pero basta la presencia de un factor detonante para que se produzca el deslizamiento. Este factor detonante puede ser un sismo, un período prolongado de lluvias intensas o la pérdida de soporte en la pata de un talud. 

Cuando el deslizamiento se produce directamente sobre una de las márgenes de una corriente natural el material deslizado se deposita sobre el lecho obstruyendo el paso libre del agua, pero a medida que pasa el tiempo el mismo flujo de agua se encarga de transportar el material hacia aguas abajo, parte como carga de fondo y parte en suspensión. Si los deslizamientos se producen lejos de las corrientes de agua, entonces solamente una parte del material puede llegar a las corrientes por erosión hídrica.

b. Erosión hídrica. La erosión hídrica se genera cuando las gotas de lluvia que caen sobre un suelo tienen suficiente energía para remover partículas del mismo, dejándolas libres para que puedan ser transportadas por la escorrentía superficial hacia las corrientes de drenaje.

En la actualidad la magnitud de la erosión hídrica se mide por medio de la Pérdida de Suelo. Esta pérdida es un índice medio anual del potencial erosivo de la cuenca; se

calcula por medio de fórmulas semiempíricas y se expresa en milímetros por año (mm/año). 

Los estudios semiempíricos que existen sobre el tema consideran que solamente un pequeño porcentaje de la pérdida de suelo llega hasta la corriente de drenaje  y puede entrar a formar parte de la carga en suspensión.

Los factores que actúan en la generación de la pérdida de suelo en una cuenca son los siguientes:

Lluvia. Es el agente que inicia el proceso erosivo. La magnitud de su efecto depende de su distribución temporal y espacial sobre la cuenca; para cuantificarla es indispensable analizar las intensidades de lluvias de corta duración, su frecuencia y el cubrimiento sobre el área de la cuenca.

Morfometría del área vertiente. Las características morfométricas de la zona potencialmente erosionable son el área, la longitud de recorrido de la escorrentía y la pendiente del terreno. 

Suelo. Es un factor que incluye la textura y la estructura que tiene suelo en el momento de comenzar las lluvias.

Cobertura vegetal. Es un factor muy importante en la generación y transporte de la erosión pluvial, especialmente en el período inicial del aguacero. Depende del tipo de cultivo, el sistema de siembra y las prácticas de manejo.

La interacción entre las variables anteriormente mencionadas ha sido estudiada con métodos analíticos, modelos físicos y cuencas prototipo.

3.3 Teoría del Cálculo de la Masa de Material de Arrastre de Fondo

A falta de mediciones reales del arrastre de fondo, se opta por considerar para los cálculos la capacidad de arrastre de fondo la fórmula de Meyer Peter, y la teoría de Zanke. La primera se desarrolla a partir del análisis en un canal de laboratorio, su aplicación en ríos siempre conlleva inseguridad. Una sección de río puede ser muy estable hasta ciertos límites de caudales y concentraciones pero para condiciones extremas los parámetros utilizados en los cálculos pueden variar drásticamente afectando los valores finales.

3. 4 Solución de Meyer- Peter (1949, 1951)

Esta fórmula se utiliza especialmente en 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

Existe un umbral o límite critico , para el cual, se inicia el movimiento.

El esfuerzo cortante en exceso, mueve la cantidad de sólidos mf, es decir:

O también expresado en magnitudes sin dimensión como:

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:

Por lo tanto. ; Donde:

d= dm= diámetro de las partículas o material granular del lecho.

Peso especifico del material de fondo= 2.65 t/m3

Peso específico del agua = 1 t/m3

Masa de sólidos transportados expresada en: t/m/seg

Y:

Por lo que la solución de Peter – Meyer, queda expresada como sigue:

Donde

= Resistencia Real

= Resistencia Ideal

= Valor de Shields sin corrección.

ó ; d90 en

= Es el factor de corrección = 0.85

3.6 Solución de Zanke.

En lugar de un umbral o límite critico, Zanke, introdujo el riesgo R como factor en su formula de transporte. Su idea era, que el transporte no comienza abruptamente sino de manera suave.

El valor crítico de de Shields marca un estado de riesgo de R = 0.10, es decir 10%.

Zanke propone la siguiente formula:

, Magnitud adimensional.

O también:

Donde:

R= Riesgo (en una transición suave)

El valor de la magnitud D*, permite establecer relaciones para el cálculo de , dentro de los siguientes rangos:

Si:

Donde: es el valor crítico de Shields.

3.8 Caudal Sólido.

El caudal sólido de un río está constituido por el material arrastrado por la corriente de agua. El arrastre del material sólido se da en tres modalidades, en función de la dimensión de las partículas, de la densidad de las mismas, y de la velocidad del flujo

Como hemos visto anteriormente existen dos variantes del transporte de sólidos:

Arrastre de fondo: que comprende también el material de saltación, en el cual los sólidos se mueven directamente sobre el fondo del río, en una capa de aproximadamente el doble del diámetro de los granos d90; la velocidad con que se mueven es menor que la del flujo del agua.

En suspensión: en el cual los sólidos son sostenidos en el cuerpo del flujo debido a la turbulencia. La velocidad con que se mueven es mas o menos la misma que la del flujo de agua.

Los granos en suspensión, muchas veces al encontrar ciertas condiciones dentro del flujo, a veces llegan al fondo del cause alcanzando reposo.

3.9 Límite entre caudal sólido en suspensión y arrastre de fondo.

Kresser en 1984, dibujó los rangos de distribución de granos para el material de fondo y el material en suspensión entre ello, de la siguiente manera.

Kresser, encontró como condición límite un número de froude :

(Constante).

Luego:

, = velocidad media del flujo.

Diámetro limite entre suspensión y arrastre expresada en metros.

Juntamente con el material transportado como arrastre de fondo, se encuentra también material fino, transportado en suspensión, pero que no tiene influencia alguna en la capacidad de transporte de flujo, a este material se llama: “MATERIAL LAVADO” O “WASH LOAD”. Según Einstein su límite corresponde aproximadamente con del rango de distribución de granos del lecho. Hay dos casos:

Cuando: Material Grueso, si > 1.00 mm

> El material del lecho es transportado como arrastre de fondo, los

granos en suspensión no tienen influencia en la capacidad de transporte, normalmente son lechos de grava.

Material Fino, si < 1.00 mm

< El material que es transportado en suspensión, por el flujo, está sometidos a la acción del fenómeno turbulento el cual origina fuerzas hidrodinámicas que deben contrarrestar las fuerzas de gravedad que actúan sobre ella.

La intensidad de la turbulencia determina el diámetro de las partículas que pueden mantenerse en suspensión. La condición impermanente de la turbulencia determina que la trayectoria de las partículas en suspensión se confunda con las partículas que constituyen el arrastre de fondo y pueden desplazarse mediante saltos.

3.10 Transporte de Sedimentos en Suspensión

Los sedimentos en suspensión son finos que llega a la corriente por procesos de la erosión pluvial de la cuenca, vertiente o por lavado de material suelto en las márgenes. Se mantiene en suspensión mientas la fuerza ascensorial que se genera por la velocidad del flujo sea mayor que su propio peso.

3.11 Calculo del Material Sólido en Suspensión.

Nosotros describiremos la teoría de Engelund – Hansen para el cálculo del material sólido en suspensión.

3.12 Teoría de Engelund – Hansen

Donde:

, =

Coeficiente de resistencia

……… visto en Meyer – Peter

3.14 Sedimentación en Embalses

La disminución de la corriente en los embalses facilita la decantación de los sedimentos. Se acostumbra llamar eficiencia de retención del embalse a la relación entre la cantidad de sedimento retenido y la cantidad de sedimento que entra al embalse.

El sedimento depositado en el fondo de los embalses sufre una acción de adensamiento que hace que su volumen disminuya con el tiempo.

Efectos negativos de un embalse

Los embalses de grandes dimensiones agregan un peso muy importante al suelo de la zona, además de incrementar las infiltraciones. Estos dos factores juntos pueden provocar lo que se conoce como Sismos inducidos. Son frecuentes durante los primeros años después del llenado del embalse.

Si bien estos seísmos inducidos son molestos, muy rara vez alcanzan intensidades que puedan causar daños serios a la población.

Aguas arriba de un embalse, el nivel freático de los terrenos vecinos se puede modificar fuertemente, pudiendo traer consecuencias en la vegetación circunlacustre.

Los efectos de un embalse aguas abajo son de varios tipos; se pueden mencionar:

Aumento de la capacidad de erosionar el lecho del río. Disminución de los caudales medios vertidos y, consecuente, facilidad para que

actividades antrópicas ocupen parte del lecho mayor del río. Disminución del aporte de sedimentos a las costas, incidiendo en la erosión de

las playas y deltas.

Por otro lado, de acuerdo con el método de Lara y Pemberton, las operaciones de los embalses fueron clasificados en relación con el tipo de estos de la siguiente manera:

Tipos de embalses de acuerdo con su operación

Sedimentos siempre sumergidos o casi siempre sumergidos

Desembalse normalmente moderado a considerable

Embalse normalmente vacío

Sedimento de lecho de ríos

Adicionalmente, el peso unitario inicial de los depósitos de sedimentos en los embalses puede ser estimado usando la siguiente ecuación.

W1 = WcPc + WmPm+ WsPs

Donde W1 = peso unitario inicial del sedimento en el embalse ( lbf/ft3 )

Pc,Pm,Ps = fracciones de arcilla, limo y arena respectivamente del sedimento entrante .

Wc,Wm,Ws = peso especifico de la arcilla , limo y arena ( lbf/ft3 ) respectivamente.

3.15 Volumen útil en un embalse

En la Figura siguiente se muestra la tendencia general de un proceso de sedimentación aguas arriba de una presa. La figura corresponde a un instante cualquiera, pues el perfil del fondo es variable con el tiempo.

3.16 Volumen Inactivo

Volumen inactivo es el volumen del reservorio medido desde el punto más bajo del conducto de descarga hasta el nivel mínimo de operación.

3.17 Volumen Muerto y Factores para su Determinación

Son varios los factores que intervienen para la determinación del Volumen Muerto que debe considerarse en un proyecto de embalse. Si un embargo, todos ellos giran en torno a una idea principal, saber cual es la cantidad de sedimentos que traerá el río en los años futuros y luego, calcular que porcentaje de esa cantidad quedará retenido en el embalse. Todo esto para un periodo dado. Como generalmente las cantidades de sólidos se expresan en peso (a partir de medición de concentraciones o de fórmulas de transporte) habrá que transformar el peso a volumen, para lo que deberá conocerse el “peso específico” del material depositado.

La diferencia entre el aporte y la evacuación de sólidos a lo largo de la vida asignada al proyecto es lo que nos da el Volumen Muerto a considerarse en los cálculos, y que servirá finalmente como uno de los elementos para obtener la altura de la presa.

En un país como el Perú los proyectos hidráulicos deben concebirse, más que como una alternativa de inversión, como una opción de desarrollo. Como una realización que hace posible la supervivencia humana en un territorio difícil en que la gran irregularidad de las descargas de los ríos, la creciente erosión de sus cuencas y la esporádica aparición del Fenómeno de El Niño constituyen retos para la ingeniería. De acá que en los proyectos hidráulicos con regu1ación, el volumen útil de los embalses debe conservarse el mayor tiempo posible y, en consecuencia, la determinación del Volumen Muerto adquiere síngu1ar importancia.

3.18 Secciones para Aumentar la Vida útil del Embalse.

Iniciada la construcción de la presa, específicamente al empezarse la ataguía, comienza la sedimentación. Esta es inevitable y avanza inexorablemente con el tiempo. ¿Cómo alargar la vida del embalse? Intentemos hacer una lista de los medios que se emplean, según las características y peculiaridades de cada embalse.

a. Controlar la erosión en la cuenca, mediante acciones de preservación b. Disponer de un volumen adicional muy grande reservado para el depósito de

sólidos. c. Incorporar a la presa sistema de purga. d. Construir aguas arriba presas para la retención de los sedimentos e. Remover mecánicamente los sedimentos, etc.

Naturalmente que el método más efectivo y seguro es el de atacar el problema desde su origen. Las cuencas que producen grandes cantidades de sedimentos presentan por lo general otros tipos de problemas que deben tratarse en conjunto. No siempre es posible disponer de un Volumen Muerto muy grande, pues significaría una presa muy alta, y alejar así la posibilidad técnica de hacerla y

afrontar los costos. Por lo general la limitación física es la más significativa. El problema podría entonces replantearse y pensar en limitar el volumen útil y los alcances del proyecto. Este sería el caso extremo. Antes habría que agotar el estudio de otras posibilidades de control de los sedimentos. La incorporación de sistemas de purga es la que en muchos proyectos, no en todos, resulta ser la más efectiva. Son varias las condiciones que deben presentarse para que el sistema funcione eficientemente. Pero, dadas sus innegables ventajas debe siempre estudiarse cuando haya problemas con los sedimentos y sólo debe descartarse después de un riguroso análisis. La gran ventaja que tiene es que prácticamente nos independiza del cálculo de los aportes de sólidos y de la eficiencia de retención, por lo menos en un alto grado, bastando cálculos aproximados para estimar los períodos de purga. Hay muchas presas de este tipo construidas en diversas partes del mundo, la mayor parte de las cuales ha dado excelentes resultados. Es claro que la única forma en que este tipo de purgas puede funcionar es abatiendo el embalse y forzando al río a escurrir por grandes compuertas, especialmente dispuestas, y que permitan la eliminación de los sedimentos acumulados. Tal como ocurre en el embalse de Tablachaca sobre el río Mantaro. Sistemas similares son los empleados en la presa de Gebidem en Suiza y la presa de Santo Domingo en Venezuela.

La construcción de embalses ubicados aguas arriba, con el objeto de lograr la sedimentación y defender la presa principal es una solución que también se ha empleado. Cuando la presa Hoover empezó a sedimentarse STEVENS planteó construir 5 presas ubicadas aguas arriba para alargar la vida del embalse de 144 a 233 años. En China, en la cuenca del río Amarillo se realizó un extenso programa de construcción de presas con el exclusivo objeto de controlar la erosión.

En la desértica costa peruana, la construcción de una presa para desarrollar un proyecto de riego transforma la Naturaleza, vuelve fértiles las tierras que antes eran arenales, se producen asentamientos humanos, se desarrolla la agricultura y todas las actividades que de ella se derivan.

Todo este proceso toma un cierto número de años (a veces demasiados). Entretanto el embalse sigue sedimentándose. Ver fig.

Los ríos poseen una capacidad natural de transporte de sedimentos. Cualquier obra que los afecte modificará también su capacidad de transporte lo cual inducirá cambios en los procesos de sedimentación y erosión que ocurren en el tramo de influencia de la obra.

Conclusiones

La conclusión final es que los diseños de obras de captación, presas de embalse, protección de márgenes, etc., en las cuales la acción de los sedimentos que el río transporta es un factor determinante, resultan inadecuados cuando no se tienen los elementos suficientes para pronosticar el comportamiento de los sedimentos durante la vida útil de las obras. Este pronóstico incluye factores como el manejo de la cuenca, su influencia sobre el río, y todos los aspectos que se han tratado someramente en el presente

Existe una relación estrecha entre la carga real de sedimentos que un rio transporta a su paso por una sección determinada y la producción de material de arrastre en la cuenca por procesos de erosión pluvial y de remoción en masa. Esta relación está en función de una serie de factores entre los cuales se incluyen las variables meteorológicas, características de la cuenca y capacidad de transporte del río. Estas variables, a su vez, dependen del tiempo.

Los ríos poseen una capacidad natural de transporte de sedimentos. Cualquier obra que los afecte modificará también su capacidad de transporte

lo cual inducirá cambios en los procesos de sedimentación y erosión que ocurren en el tramo de influencia de la obra.

Recomendaciones

Se recomienda tener cuidado al momento de evaluar un embalse de manera que los márgenes de error no se excedan y disminuya de esta manera el tiempo de vida de un embalse o en el mejor de los casos la remoción del material sedimentado ocasione serios problemas de costo al momento de su mantenimiento.

Existen diversos métodos al momento de diseñar un embalse es necesario conocerlos independientemente antes de usarlos dada las características del embalse.

Al igual existen métodos empíricos que nos dan algunos alcances para el diseño de una presa se recomienda tener cuidado con el manejo de este ya que no satisface la rigurosidad que se exige en este tipo de cálculos.

Al igual que se evalúa el material sedimentado y los años de vida de este es necesario tener en cuenta otros efectos que se pudieran suscitar al momento de proyectar una presa, y aunque no corresponde al tema es nuestro menester y obligación evaluarlos, un ejemplo de ello es la posibilidad de provocar sismos inducidos ya que el capa tectónica se ve afectada por el enorme peso que el suelo esta soportando.