UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERA CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAESCUELA DE INGENIERA CIVILHIDRAULICA IIARTICULO DE REVISTA INDEXADAVelocidad critica de depsito en el transporte hidrulico de mezclas en canales abiertos

Autor:Espinel Guillen ngel HoracioSemestre: 4Fecha de Entrega: 9 de Abril del 2015 Profesor: Ing. LimaQUITO - ECUADOR2015

RESUMENPara el anlisis terico se parti de la teora del balance de energa turbulenta dada por Oroskar (Oroskar, 1980), y de la teora del balance de fuerzas turbulentas dada por Davis (Davis, 1986), las cuales fueron modificadas y adaptadas al caso de flujo de mezclas en canales abiertos. En el anlisis terico se incluye factores empricos para tener en cuenta efectos que no se pueden incluir tericamente, estos factores se encuentran con datos experimentales tomados en laboratorio, en un montaje construido especialmente para ello, el cual permite ensayar varias secciones de canal, con pendientes variables y diferentes tipos de sedimentos. Como resultado se encuentran dos novedosas ecuaciones para el clculo de la velocidad crtica de depsito en canales con errores bajos de prediccin, las cuales pueden ser usadas en diseos prcticos de ingeniera.TRANSPORTE DE SEDIMENTOSLos grandes desarrollos hidroenergticos que se programan en el pas, as como las estructuras hidrulicas que hay que construir en el inmediato futuro, exigen una evaluacin previa de su factibilidad tcnica y econmica, dadas las grandes sumas de dinero que hay que invertir en ellas, a ms del carcter de endeudamiento externo que estas inversiones conllevan.Con base en esta exigencia, el anlisis del TRANSPORTE DE SEDIMENTOS de los ros y hoyas hidrolgicas, ha adquirido una importancia capital, pues determina la vida econmica de las obras.El transporte de sedimentos es un fenmeno complejo que responde a dos funciones, una que representa las caractersticas de la hoya y otra las del ro; una de las funciones indica la cantidad, naturaleza y propiedades fsicas de los materiales disponibles para el transporte, y la otra, la capacidad del sistema hidrulico para hacerlo.Esta complejidad hace que el problema del transporte de sedimentos sea imposible de resolver por la aplicacin simple de la teora de la mecnica de los fluidos. La presencia de partculas en el flujo altera el comportamiento hidrulico muchas veces motivado por la presencia de elementos artificiales, como son apoyos de puentes o estructuras hidrulicas, Que hacen que se rompa el equilibrio del flujo.DEFINICIONLos sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia natural de la degradacin del suelo, puesto que el material procedente de la erosin llega a las corrientes a travs de tributarios menores, por la capacidad que tiene la corriente de agua para transportar slidos, tambin por movimientos en masa, o sea, desprendimientos, deslizamientos y otros.En un punto cualquiera del ro, el material que viene de aguas arriba puede seguir siendo arrastrado por la corriente y cuando no hay suficiente capacidad de transporte este se acumula dando lugar a los llamados depsitos de sedimentos.Las corrientes fluviales forman y ajustan sus propios cauces, la carga de sedimentos a transportar y la capacidad de transporte tienden a alcanzar un equilibrio. Cuando un tramo del ro consigue el equilibrio, se considera que ha obtenido su perfil de equilibrio. Sin embargo, puede ser aceptable que existan tramos o sectores de un ro que hayan alcanzado su equilibrio, aunque estn separados por tramos que no tengan este equilibrio.EI transporte de sedimentos est ligado con la hidrodinmica de los canales abiertos. La introduccin de partculas dentro del flujo altera el comportamiento hidrulico. Se puede decir que los sedimentos que forman el lecho pueden adoptar muchas formas entre las que se pueden mencionar las dunas, las rizaduras o superficies planas (Figura 1); esto depende del proceso de transporte.Cuando el esfuerzo de arranque que el agua ejerce sobre el lecho constituido por sedimentos es suficientemente fuerte para remover una capa de partculas, estas no se desprenden indefinidamente sino que pueden adquirir un estado de equilibrio despus de ponerse en movimiento algunas capas anteriores. Segn R.A. Bagnold las partculas transportadas aaden una fuerza nueva, normal al lecho, que mantiene las partculas del lecho expuestas contra la traccin que se ejerce por la mezcla de agua y sedimentos.El estudio de los tipos de fondo es importante por su papel en la rugosidad del lecho, transporte de sedimentos, parmetros de flujo, socavacin y sedimentacin.

Figura 1

TIPOS DE LECHOSLecho plano sin transporte de sedimentosSe caracteriza principalmente por la poca resistencia al flujo y de aqu el poco transporte de sedimentos. Es propio de lechos que soportan poco caudal. Lecho rizadoEst caracterizado por ondulaciones que resaltan por encima del nivel del lecho, llamados rizos, los cuales son pequeas formas con una pendiente alta, aguas abajo y suave en la parte aguas arriba, el espaciamiento y la geometra estn dados a1 azar para un caso individual, pero son uniformes en sentido estadstico.CONFORMACION DE DUNASLas dunas son formas triangulares, pero de mayor longitud y altura que los rizos, sus dimensiones pueden ser del orden de 0.06 a 27 m. para la altura y de 0.6 a 1.000 m. de largo (Las dunas ms grandes son llamadas bancos).La resistencia al flujo se presenta bsicamente, por el fenmeno de separacin en la capa del fluido entre dos dunas, creando zonas de contra flujo.Las diferencias mecnicas entre lechos rizados y lecho de dunas son bsicamente las siguientes: La relacin profundidad resistencia al flujo es opuesta: En un lecho de rizos a un aumento en la profundidad se produce una disminucin en la resistencia al flujo, mientras que en un lecho de dunas se produce un aumento, pero se tiene la condicin de que est formado por arena con D > 0.3 mm. No se forman rizos si la arena es gruesa D > 0.6 mm. La resistencia al flujo en las dunas es dependiente del tamao del grano, mientras que en los rizos no.MOVIMIENTO DEL AGUAEl agua puede moverse como consecuencia de una corriente laminar o turbulenta. La corriente laminar se presenta cuando las superficies hacen parte del ro, y no existen mezclas entre las capas de agua adyacentes. La corriente turbulenta se presenta cuando el agua se mueve irregularmente formando remolinos, mezclndose las diferentes capas de agua. El movimiento del agua turbulento es precisamente el causante de la erosin, la abrasin y el transporte de todos los fragmentos del cauce.

PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOSLas caractersticas que definen los procesos de suspensin, transporte y depositacin del sedimento dependen no slo de las condiciones del flujo sino tambin de las propiedades del sedimento, como son:Tamao. La propiedad ms importante de una partcula de sedimento es su tamao por lo cual, ha sido la nica propiedad que caracteriza los sedimentos. Solamente si la forma, densidad y distribucin granulomtrica son semejantes en diferentes sistemas hidrulicos, se pudiese considerar que la variacin de su tamao define la variacin del comportamiento del sedimento.Forma. Es una caracterstica que determina el modo de movimiento de la partcula (grano de forma aplanada, en el lecho, difcilmente se mueve por rotacin, pero s se desplazan fcilmente o, eventualmente pueden saltar) Normalmente se define a travs de la redondez, esfericidad y el factor de forma.Densidad. Es la relacin entre la masa que posee una partcula y su volumen. La gravedad especfica, s, se define como la relacin entre la densidad de la partcula slida y la densidad del agua a 4 grados centgrados. La mayora de los sedimentos de los ros son cuarzos o feldespatos cuya gravedad especfica es 2.65; sin embargo, s vara desde 1.35 a 1.70 para la piedra pmez hasta 7.6 para la galena.Peso especfico. Es la relacin entre el peso de la partcula y su volumen. Es igual al producto de la densidad por la aceleracin de la gravedad.Porosidad n: Se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de granos o volumen de sedimentos.Velocidad de cada, w: Es la velocidad lmite que adquiere la partcula cuando cae en agua destilada, en reposo, de extensin infinita a una temperatura constante de 24 grados centgrados.La fuerza de arrastre sobre una esfera en reposo, sometida a la accin de un flujo uniforme con velocidad w se expresa mediante la siguiente ecuacin:FD = CD x ( D2 )/4* ( W2 )/2FORMAS DE TRANSPORTE DEL SEDIMENTO EN UNA CORRIENTEEl lecho de una corriente natural que transporta material, est compuesto por granos sueltos. Las corrientes transportan material en varias formas; siendo la ms simple aquella en que las partculas se deslizan o ruedan.El rodamiento ocurre cuando las partculas estn en continuo contacto con el lecho; es por esto, que no tienen una gran importancia. Si el lecho no es uniforme, las partculas generalmente no se mantienen en contacto continuo sino que saltan; la intensidad de los saltos aumenta con los cambios de velocidad de la corriente y la partcula es atrapada por la corriente ascendente; esto puede ser prolongado.Todos los tipos de movimiento que tienen las partculas se inician cuando las fuerzas de arrastre son mayores que las fuerzas estabilizantes; las fuerzas que tienden a mover o arrastrar los sedimentos son: la presin hidrodinmica, la sustentacin y las fuerzas de viscosidad del flujo. Las fuerzas que ofrecen resistencia a la accin de movimiento estn relacionadas con: el tamao del grano y la distribucin de los granos que existen en el fondo. Las fuerzas que resisten el movimiento para los sedimentos de mayor tamao, tales como gravas y arenas es el peso de la partcula mientras que para los finos son las fuerzas cohesivas. Las partculas gruesas tienen un movimiento en forma individual mientras que los finos tienen un movimiento en grupos.La iniciacin del movimiento es un proceso eventual. Se rige entonces por la probabilidad de que una partcula se mueve bajo la influencia de las corrientes turbulentas, es por esto, que dar una definicin exacta de movimiento seria imposible, por lo que en los procesos de arrastre no hay una condicin crtica que genere un comienzo brusco, en el momento en que la condicin crtica es alcanzada