ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

FORMAS DE FONDO YRESISTENCIA AL FLUJO

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FORMAS DE FONDO

HIDRAULICA FLUVIAL

ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS

FORMAS DE RUGOSIDAD DELLECHO DE CAUCES FLUVIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

HIDRAULICA FLUVIAL

En el análisis deflujos en cauces

en cauceserosionables

Conceptualización de las irregularidades del fondo

Seinterrelacionan

físicamente

Factor de fricción

Tasa de transporte desedimentos

La configuracióngeométrica del lecho

del cauce

Geometría del cauce

La configuracióngeométrica dellecho del cauce

Es resultantede la

interacción de

Flujo

Fluido

Sedimento

Formas de fondo (lecho del cauce)

Cuando la velocidad del flujo alcanza o supera la velocidad criticalas partículas del fondo empiezan a moverse

........V0 > Vcrit

Dependiendo de las características del flujo y del materialconstituyente del fondo se formarán diversas configuraciones defondo.

Las experiencias realizadas en laboratorio no han descrito conprecisión el cambio de la forma del fondo debido a las variables queson difíciles de determinar.

En consecuencia las formas de lecho son cualquier irregularidadproducido en el lecho del cauce de tamaño superior al mayor tamañode la granulometría del material que lo forma.

Por eso se habla de resistencia debido al fondo y resistencia debidaa la partícula.

Formas depredicción de lasformas del fondo

Analítico: Sujeto a leyes físicomatemático son muy complejos

Empírico: Aportan mejores resultados

Las formas o configuraciones del fondo dependen de la velocidad delflujo y de las características del sedimento. Es lógico que si existenmovimientos de sedimentos en el fondo del cauce se producirán las

variaciones de la irregularidad del lecho

Cuando es superado el umbral del movimiento t > tc ,el fondo de un río puede presentar una configuraciónondulada siguiendo las llamadas formas de fondo.Este fenómeno tiene gran importancia porqueparticipa en el transporte de sedimentos e intervieneen la resistencia al flujo (rugosidad).

Las formas de fondo ocurren en lechos de arena,mientras que en ríos de grava o de materialesgruesos y de granulometría extendida se presentanen forma limitada o directamente no se producen.

FUNDAMENTO TEORICO

Al comenzar el movimiento en un lecho de arena e iraumentando la velocidad se presentan las siguientesformas: rizos, dunas, fondo plano y antidunas.

Los rizos

Son pequeñas ondulaciones triangulares con alturamáximas del orden de centímetros y longitud deonda del orden de decímetros. Sólo aparecen conarena fina (< 0.6 mm) y su presencia es un indicadorque el movimiento en el fondo todavía no esturbulento rugoso (d> D).

Las dunas

Son ondulaciones también triangulares pero contaludes diferentes, el de aguas arriba es muy suave yel de aguas abajo es muy marcado. El tamaño de laduna es un orden de magnitud mayor que el de losrizos y además mantiene una proporción con eltirante de agua. La superficie libre se ondulasuavemente en oposición al fondo (descenso sobre lacresta y ascenso sobre el valle) lo que indica que elrégimen hidráulico es lento.

Aumentando la velocidad de la corriente, las dunas sealargan hasta ser barridas, quedando el lecho plano.Con una velocidad mayor, el lecho se ondula enformas asimétricas llamadas antidunas cuya formapuede migrar hacia aguas arriba a pesar de verificarseun fuerte transporte de sedimentos aguas abajo.

La superficie libre presenta una fuerte ondulación encorrespondencia con el fondo, lo que indica que elrégimen hidráulico es rápido.

Lecho planos y Antidunas

Formas de fondo:a) rizos,b) dunas,c) antidunas,d) rápidos y pozos

Formas de fondo en un Diagrama de Shields.

Cada forma de fondo agrega a la rugosidad debida al tamaño delgrano una resistencia por forma. Ésta es lógicamente mayor con lasdunas que con rizos o fondo plano. En la figura se observa la tensióntotal debida a las fuerzas de rozamiento en el fondo según laevolución de formas.

Tensión de corte total en función del número de Froude

RESISTENCIA LA FLUJO

HIDRAULICA FLUVIAL

RESISTENCIA AL FLUJO O RUGOSIDAD?

• Las teorías sobre la resistencia al flujo en canales de fondomóvil han sido desarrolladas con base en ensayos en laboratorio.

• Una primera clasificación de las formas de lecho fue elaboradaen el Laboratorio de Fort Collins (Colorado State University,EUA) desde los años cincuenta.

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

No hay todavía formulas satisfactorias para predecir formas dellecho o para calcular la resistencia al flujo.

Formas del lecho se adaptan en permanencia a los cambios de flujoy, más, al desequilibrio entre la capacidad de transporte desedimento y la disponibilidad del sólido.

Además, el fondo se adapta con cierto retraso, induciendo efectos dehistéresis, lo que complica el análisis de las observaciones (decampo)

RESISTENCIA AL FLUJO O RUGOSIDAD?

RESISTENCIA AL FLUJO O RUGOSIDAD?

Rizos (a)Rizos sobre dunas (b)Dunas ( c)Dunas suavizadas (d)Fondo plano (e)Antidunas (f)Antidunas con rompimientode la onda (g)Rápidos y remansos (h)

RESISTENCIA AL FLUJO O RUGOSIDAD?

La resistencia al flujo (“n” de Manning):

• Aumenta en el régimen inferior (risos hasta dunas)• Cae en la transición (dunas suavizadas y fondo plano)• Aumenta nuevamente en el régimen superior (antidunas hasta

rápidos y remansos)

RESISTENCIA AL FLUJO O RUGOSIDAD?

COMENTARIOS

Falta todavía bastante entendimiento en los procesos de formaciónde formas de lecho y de su relación con el flujo y el transporte desedimentos.

En muchos estudios se utilizan predicción de formas del lecho y deresistencia al flujo (rugosidad), aunque estas teorías no han sidoconfirmadas por estudios de campo.