introduccion a la hidraulica fluvial
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Propiedades de los sedimentos y técnicas de medición.
Flujo en canales de arena.
Resistencia al flujo en canales aluviales.
Efecto de las formas de fondo
Resistencia al flujo en cauces de material grueso
Inicio del movimiento.
Propiedades de los sedimentos y técnicas de medición.
Flujo en canales de arena.
Resistencia al flujo en canales aluviales.
Inicio del movimiento.
Los ríos están formados por materiales cohesivos y no cohesivos que han sido y pueden ser transportados por la corriente.
» Cohesivos: arcillas
» No cohesivos: limos, arenas, gravas, guijarros, cantos rodados y bloques
» Tamaño de la partícula
» Forma de la partícula
» Velocidad de caída
» Distribución de tamaños de sedimentos
» Peso especifico
» Porosidad
» Cohesión
» Angulo de reposo
Clasificación de tamaños según la American Geophysical Union (A.G.U.) (escala de Wentworth)
» Factor de forma de Corey: Sp, (Albertson 1953)
» Fuerza de arrastre
Fórmula de Stokes:
Aplicable solo para:
» Partículas esféricas
» Re menor o igual a 1
Otra expresión para el coeficiente de arrastre:El área y el volumen pueden ser escritos en términos del diámetro característico de la partícula Ds:
Donde los coeficientes K1 y K2 dependen de la forma de las partículas de
sedimentos.
Por ejemplo, K1 = π/4 y K2 = π/6 para partículas esféricas.
Si la partícula cae a su velocidad terminal, FD = Ws:
Sustituyendo las ecuaciones 3.4 y 3.5 en la ecuación 3.6 se obtiene la expresión:
Cuatro números adimensionales describen la velocidad de caída a partir del análisis dimensional de la ecuación 3.7:
El coeficiente de arrastre CD es dependiente del número de Reynolds de la partícula
,
la forma y la textura superficial de la partícula, donde μ es la viscosidad dinámica del fluido. La relación K2/K1 se remplaza frecuentemente por el factor de forma de Corey Sp
Coeficiente de arrastre para esferas y sedimentos naturales con factores de forma 0.3, 0.5,0.7 y 0.9. También, diámetro de sedimento vs velocidad de caída y temperatura
(Brown 1950, p. 781).
Ver página 105 de int. a la Hidráulica Fluvial del dr. Rocha:
Figura 3.2. Diámetro Nominal vs. velocidad de caída (Temperatura = 24°C)
(Guy 1977,U.S. Interagency 1957b).
Métodos de medición de propiedades de materiales aluviales:
Tabla 3.2 Guía para diferentes análisis de tamaños
» Separación de la arena de los finos
Si la muestra de sedimentos a ser analizada (material del lecho o material ensuspensión) tiene considerable material fino (Ds>0,062 mm) se debe separarpreviamente al análisis. Para separar la porción gruesa de la fina, el sedimentodeberá ser tamizado húmedo usando agua destilada y una malla 250 (0,062mm). El material que masa dicha malla deberá ser analizado con pipeta siademás se requiere conocer la granulometría fina, o secado e incluido como %que pasa la malla.
MÉTODOS Rango de tamaños Análisis de concentración
Cantidad de sedimentos o
guijarros
mm mg/l g
Tamizado 0,062 - 32 - 100 – 500
Tubo de acumulación visual
0,062 - 2 - 0,05 – 15
Análisis de pipeta 0,002 -0,062 2 000 – 5 000 1 – 5
Conteo de guijarros 12 – 1 000 - 100 guijarros
Pag. 3.9 de River Engineering for Hyghway encroachments
Pag. 3.9 de River Engineering for Hyghway encroachments
Coeficiente de gradación:
Donde:
G = coeficiente de gradación
Dx = diametro de la partícula de sedimentos de la cual el % x es más fino
La rugosidad del grano usada en las ecuaciones de velocidad es tomada como elD80, D85 o D90.
diámetro efectivo de materiales bien graduados:
En estudios de erosión a la salida de alcantarillas, Stevens (1968) fue capaz deconsolidar un rango de datos de erosión empleando la expresión:
Donde:
Los términos D0, D10,…,D100 son los diámetros de las mallas del enrocado en loscuales se tiene el 0%, 10%,… y 100% de material que pasa (en peso). La ec. deStevens es equivalente a utilizar el promedio de la suma de los pesos de laspartículas individuales.
También se usa el diámetro efectivo Dm en estudios de sedimentos. Se define conla siguiente expresión:
Donde Pi es el porcentaje en peso de la fracción de sedimentos con mediageométrica Dsi. La media geométrica es la raíz cuadrada del producto de losextremos de un rango dado.
Porosidad de materiales granulares es el cociente del volumen de vacíos entre el volumen total de una muestra no disturbada.
Cohesión es la fuerza conque las partículas de arcilla se atraen entre si.
» Figura 3.4. Ángulo de reposo de materiales no cohesivos(Simons 1955).
Formas de fondo en canales de arena (Simons and Richardson 1963, 1966).
Regímenes de Flujo:» Bajo: Rizos,
dunas con rizos superpuestos, dunas y dunas lavadas
» Transición
» Alto: lecho plano, antidunasestacionarias y rompientes, caídas y pozos.
» Potencia de la corriente:
Figura 3.7. Cambios de velocidadpara una arena con D50 = 0,19 mm (Simons and Richardson 1966).
Figura 3.9 Cambio de regimen de flujo bajo a alto basado en el tamaño del grano de arena y el número de Froude.
» Profundidad
» Pendiente
» Viscosidad aparente y densidad
» Tamaño del material del lecho
» Gradación de tamaños
» Velocidad de caída
» Factor de forma para el tramo y la sección transversal
» Fuerza de filtración
» Concentración de la descarga de material de fondo
» Concentración de sedimentos finos
Figura 3.10. Relación de la profundidad vs descarga para el río Elkhorn cerca a Waterloo, Nebraska (Beckman y Furness 1962).
Figura 3.11. Viscosidad cinemática aparente de dispersiones agua-bentonita
(Simons and Richardson 1966).
Figura 3.12. Variación de la velocidad de caida de varias muestras de arena vsporcentajes de bentonita y temperatura (Simons and Richardson 1966).
» Factor de forma del tramo y de la sección transversal
» Fuerza de filtración
» Concentración de material del cauce
» Concentración de material fino
» Figura 3.13. Relacion entre la potencia de la corriente, el diametro medio de caida, configuración del lecho y numero de Manning.
» Figura 3.14. Cambio del numero de Manning vs la descarga para el río Padma en Bangladesh.
» El correspondiente aumento en la velocidad puede aumentar la erosión alrededor de los pilares del puente, estribos, espuelas diques o bancos, y también aumenta el tamaño necesario de la escollera.
» Cambio de elevación requerida del cruce del puente, la altura de terraplenes a través de la llanura y la altura de cualquier obra de canal de control.
» Otro efecto de la forma del cauce en los cruces de la carretera es que con dunas en el cauce hay un patrón fluctuante de socavación en el cauce y alrededor de los muelles, pilares, bancos y espolones de guía. La altura media de dunas es aproximadamente 1/2 a 1/3 de la profundidad media del flujo y la altura máxima de una duna puede aproximarse a la profundidad media del flujo.
» Un efecto muy importante de las formas de cauce y las barras es el cambio de dirección del flujo en los canales. En las barras de bajo flujo puede ser residual y provocar un flujo de alta velocidad a lo largo de un muelle o un pilar o de cualquiera de las otras estructuras en el lecho de un arroyo, causando erosión más profunda de lo previsto.
Sedimento no cohesivo con 2mm<d<250 mm, respecto al cauce arenoso tiene:
» Canales menos activos
» menor movimiento de bancos
» Mayor tendencia al acorazamiento a medida que se hace más grueso.
» Los rizos nunca se forman y las dunas son raras
» Puede tener fracciones de material que estan solamente parcialmente sumergidosdurante la mayoría de los caudales.
» La rugosidad del cauce no estan mayormente influenciada por las formas de fondopero si por la rugosidad del grano.
Objetivo:
» Determinar las condiciones de movimiento incipiente
» Evaluar la rugosidad del cauce relacionada a la resistencia del flujo
» Determinar la carga de fondo
» Determinar la longitud y tiempo de respuesta del canal a actividades especificas
Excepto con immenrsion parcial, segun analisis de datos de muchos ríos y canales se ha encontrado (Anderson et al. 1968):
Segun Limerinos (1970) en la ec. 3,19, y Bray (1982) y Simons y Senturk (1992):
Y otros:
Ver Introducción a la Hidráulica Fluvial. Dr. Arturo Rocha Felices
