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INTRODUCCIÓN
En el estudio de los ríos existen tres ideas; la primera consiste en su aprovechamiento
integral para satisfacer demandas de la población ( agua potable para consumo humano,
agua para riego, agua para generación de energía eléctrica, navegación, saneamiento,
etc ); la segunda se relaciona en que a los ríos hay que verlos como un elemento de la
naturaleza, que, en ocasiones, hay que diseñar obras para protegernos de ellos; en la
tercera hay que considerar que desde el punto de vista ambiental hay que proteger a los
ríos, por ejemplo, reforestando su cuenca de captación, tratando las aguas que se
descargan a ellos para mitigar la contaminación de estos cuerpos de agua, etc. Estas tres
ideas hacen ver que la Hidráulica Fluvial debe considerarse dentro del estudio y manejo
integral de la cuenca.
La Hidráulica Fluvial en sus trabajos utiliza conceptos de Geomorfología, Hidráulica
General, Hidrología y Transporte de Sedimentos; ella estudia el comportamiento de un río
relacionado con el gasto y elevaciones del agua medias y extremas, las velocidades del
escurrimiento, los cambios en el fondo del cauce provocados por la socavación y
sedimentación, el gasto de sedimentos y la erosión en la margen del río. Por su parte, la
Ingeniería de Ríos está relacionada, entre otras, con el diseño de obras de protección del
fondo y márgenes de ríos y de pilas de puentes. La Mecánica de Ríos es una
combinación de la Geomorfología Fluvial y de la Hidráulica de Canales Abiertos que está
enfocada a estudiar la forma y estructura de los ríos, particularmente a lo que se refiere a
modelos del cauce, geometría del cauce ( sección transversal ), geometría en planta del
río y pendiente del cauce.
Ríos
La lluvia al caer sobre la superficie terrestre va abriendo pequeños surcos sobre ella, con
el paso del tiempo ellos se van profundizando formando arroyos o riachuelos, todo esto
ocurre en las partes altas de la montaña. Posteriormente estas corrientes van escurriendo
hacia aguas abajo por gravedad y se van uniendo hasta formar los tributarios o afluentes
o ríos secundarios y estos a su vez se unen formando a un río, los cuales en su parte
baja, llamada planicie o llanura de inundación, son muy anchos a diferencia de donde se
originaron que son angostos . Un fenómeno parecido se da por el derretimiento de los
glaciares que se forman en las zonas altas de las montañas. Cuando el agua infiltrada en
el terreno es tal que el nivel freático es alto, este abastece de agua en forme continua y
permanente al cauce del río o bien el deshielo proveniente de la montaña produce el
mismo efecto es como se forman los ríos perennes.
En resumen, un río se puede definir como una corriente de drenaje natural que descarga
hacia el mar el agua en exceso que procede de la superficie terrestre o una corriente de
agua de tipo permanente o temporal que escurre sobre la superficie terrestre y que sigue
la pendiente del terreno y desemboca al mar o a otros ríos o lagos.
Los elementos de un río son: cauce es un canal natural por donde escurre el agua y a lo
largo del río cambia su sección transversal; márgenes u orillas (es equivalente a las
paredes y están en contacto con el agua lateralmente); se distinguen la margen
izquierda y la derecha, para identificarlas, una persona se pone de espaldas a la
dirección de la corriente y la margen que queda a su mano derecha le corresponde esta
designación y lo mismo ocurre para el lado contrario; el punto más bajo de cada sección
se llama fondo del cauce y la línea que une todos estos puntos a lo largo del río thalweg;
en la parte superior de la margen derecha e izquierda se tienen los bordos naturales del
río, que se llaman barrotes del río.
Un río puede descargar sus aguas al mar o bien a un lago, en el primero se tendrá una
cuenca abierta o exorreica y en el segundo una cerrada o endorreica. Un ejemplo del
segundo caso es la cuenca del valle de México y del primero la cuenca del río Grijalva o
Usumacinta , también puede haber una combinación como es el caso del río Lerma que
descarga sus aguas al lago de Chapala y de este a su vez sale el río Santiago cuya
desembocadura esta en el océano Pacífico.
Los ríos al descargar al mar lo pueden hacer de dos maneras formando un delta o un
estuario. El primer caso se caracteriza porque descarga en muchas corrientes, separadas
por islas y que luego se pueden volver a unir, cuya vista en planta se asemeja a la letra
delta mayúscula y en ellos la marea no tiene influencia; en el segundo caso la boca de la
desembocadura es ancha y profunda y está sujeta a la acción de las mareas donde estas
tienen un valor grande en amplitud u oscilación. Un estero se distingue por ser un canal
angosto y poco profundo por el cual ingresan y salen las mareas a un río.
El régimen del escurrimiento de un río tiene dos fuentes de aporte, uno proviene de las
lluvias y el otro es producido por el deshielo, al primero se le llama régimen pluvial y al
segundo nival. Adicionalmente, cuando el río lleva poco caudal se dice que corresponde a
la época del estiaje y cuando conduce gastos grandes se le llama de avenidas o
crecientes; el definir esta situación permitirá identificar cuando es posible hacer el cierre
de cauce para una obra de desvío o bien que se presenten inundaciones.
Un lago es un almacenamiento de agua alojado en una depresión de la superficie
terrestre y cuando este almacenamiento es de poca extensión y profundidad se le
denomina laguna.
Tipos de ríos
Por su edad: jóvenes, maduros y viejos; los primeros presentan fuerte erosión y gran
fuerza del agua, los segundos se caracterizan por la formación de meandros y los últimos
son muy anchos y fuerza erosiva pequeña.
Por su origen: montaña, transición y planicie; el primer caso se caracteriza por fuertes
pendientes, gran transporte de sedimentos y secciones angostas y profundas, en cambio
en el tercero se tienen pendientes pequeñas, depósito de sedimentos y secciones anchas
y poco profundas.
Por su periodicidad: perennes, intermitentes y efímeros; en el primer caso el río siempre
lleva agua, en el segundo la mayor parte del año y en el tercero sólo después de que
llueve.
Por su geomorfología: trenzado, recto y meandreante, el primero, se caracteriza por la
presencia de islas y el tercero se caracteriza por la presencia de curvas, llamadas
meandros (ver Fig 1.1).
Fig 1.1 Tipos de ríos de acuerdo con su geometría: trenzado, recto, meandreante, Simons
y Julien, 1984.
Fig 1.2 Tipos de ríos de acuerdo con el gasto y el material transportado, Schumm, 1981.
Fig 1.3 Representación esquemática de los tipos de curvas que se desarrollan en un río
meandreante, Brice, 1984.
Fig 1.4 Geometría de un meandro
Para distinguir en qué estado se encuentra el río se calcula la sinuosidad.
Fig 1.5 Suniosidad. a) Diferentes grados de sinuosidad, Brice, 1984, b) Cambio de
sinuosidad.
Fig 1.6 Medición de las características geométricas de los meandros. Medición de la
longitud de onda del meandro, a) de un meandro simple, b) de un meandro complejo.
Medición de la amplitud de un meandro, c) meandro simple, d) meandro complejo.
Guccione, 1984.
Un río puede bifurcarse en la planicie, como es el caso, por ejemplo, del río Mezcalapa –
Samaria – Carrizal o también se presentan “rompidos”, los cuales dan origen a otros ríos,
un ejemplo de lo mencionado son los ríos que descargan sus aguas a la planicie
tabasqueña. Sin embargo, el río tiende a reconocer su trayectoria original, a pesar de que
por su comportamiento hayan abandonado su cauce original o bien se haya efectuado un
corte de uno o varios de sus meandros.
ORIGEN Y PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS
Las propiedades del sedimento están íntimamente ligadas con la roca que les dio origen,
las cuales también a su vez tienen tres procedencias:
Ígneas, son producto de erupciones volcánicas de tipo intrusivo o extrusivo, esto influye
sobre su textura y diferencia de color por su composición minearológica y su estructura
es masiva. Entre estas rocas destacan, entre otras, la riolita, la andesita, el basalto, el
granito, la diorita.
Sedimentarias, cuando los fragmentos de cualquier tipo de roca que son producto de la
desintegración mecánica y descomposición química, son transportados de su lugar de
origen se vuelven a depositar y una parte de ellos se consolida y el resto se cementa
parcial o totalmente lo cual da origen a las rocas sedimentarias. En campo se reconocen
porque se presentan en capas estratificadas. Están formadas por minerales, fragmentos
de roca y restos orgánicos. Como producto de la acción de los agentes químicos y/o
atmosféricos que actuán sobre esta roca se forman partículas, por lo que se hace una
clasificación en función del tamaño de estas y es la siguiente: bolos, cantos rodados,
gravas arenas, limos y arcillas, y hay una subdivisión entre ellas, las cuatro primeras se
considera material granular o no cohesivo, por ello se hablará de un ángulo de reposo, y
las otras dos son de material cohesivo con dos propiedades importantes la cohesión y el
ángulo de fricción interna. Lo mencionado es útil para entender el comportamiento del
fondo y orillas de un río, ya que puede ser diferente para los dos grupos de partículas y
que está relacionado con el problema de inicio de movimiento o el diseño de canales sin
arrastre. Ejemplo de este tipo de roca están los conglomerados, la arenisca, la lutita, la
caliza y la turba.
Metamórficas, son producto de los cambios de forma de los cristales o en su composición
de las rocas ígneas y sedimentarias, los cuales fueron ocasionados por temperaturas
elevadas, altas presiones y esfuerzos cortantes grandes actuando en forma individual o
conjunta son los que dan origen a este tipo de roca y pueden identificarse porque son
masivas o granulares o foliada. Se identifican en este tipo de rocas la cuarcita, el mármol,
pizarra y el gneis que proceden de la metamorfosis que sufrieron la arenisca, la caliza, la
lutita y el granito, respectivamente.
SEDIMENTOS
• DEFINICIÓN: Reciben este nombre las partículas procedentes de las rocas o suelos
y que son acarreadas por las aguas de los escurrimientos y por el viento.
• FUENTES DE LOS SEDIMENTOS: De acuerdo con lo dicho antes, la fuente principal
la constituyen los suelos y las rocas que se encuentran en su cuenca. Siendo la agua
y el viento los agentes de erosión y transporte.
Origen de los sedimentos
El proceso erosivo de las superficies del suelo, el transporte del material erosionado,
el depósito de este material en lagos y almacenamientos y otros procesos semejantes
depende de diversos factores. Estos factores se pueden clasificar en las siguientes
categorías: Características del sedimento, características del fluido, características del
escurrimiento y características del canal.
Características del sedimento: Peso específico, tamaño, forma, etcétera juegan un
papel importante en varias de las etapas del transporte de sedimentos y por ello deben
ser estudiadas con mayor detalle. Las propiedades están regidas en su mayor parte
por el origen de las partículas y por el proceso de formación de ellas.
Origen y formación: Todos los sedimentos que son transportados por las corrientes y
viento y los que se encuentran en el desierto han sido resultado de la descomposición
de la roca por los agentes atmosféricos. La descomposición puede definirse como el
proceso por el cual la roca sólida es quebrada primero y luego se fragmenta. El
tamaño, la composición mineral, la densidad, la textura dependen de la roca que dio
origen al sedimento. El proceso de descomposición se puede subdividir en:


Descomposición química: es debida al origen, al dióxido de carbón y al vapor de agua.
En ocasiones, también el ácido carbónico y el exceso de agua. Los efectos químicos de
la vegetación juegan un papel importante ya que forma las arcillas.


-
-

Oxidación. Adición de iones de oxígeno a los minerales de que está formada la roca.
Extracción de iones de oxígeno a los minerales de que está formada la roca.
Hidratación adición de agua a los minerales que forman la roca.
Carbonatación. Disolución de la roca por agua que contiene una cantidad considerable
de dióxido de carbono.
Efectos químicos de la vegetación.
descomposición de la vegetación.
Ácidos
orgánicos
como
producto
de
la
El producto final de la descomposición química son las arcillas.
Descomposición mecánica: los agentes que causan esto son el agua helada, la
expansión causada por cambios químicos y la exfoliación resultante de cambios súbitos
(repentinos) de la temperatura.
Cambios periódicos de temperatura. Efectos térmicos por la repetición alternada de
calentamiento y enfriamiento, que provocan esfuerzos de tensión y compresión, por
este motivo la roca cede por fatiga.
Congelación. El agua queda atrapada en los poros y fisuras de la roca y al congelarse
ocasiona la fractura de la roca.
Efectos Físicos de la flora y fauna. Raíces de ciertos árboles pueden llegar a fracturar
un gran bloque de roca. También aquí se incluyen las actividades de perforación y
excavación de animales producto de este tipo de descomposición en general gravas y
arenas.
Descomposición orgánica: Sus agentes los producen los animales, las raíces, los
troncos trenzados que se introducen dentro de la roca.

El producto resultante de la desintegración mecánica y de la descomposición química
de las rocas forma dos tipos de suelo, residuales o transportados. Los primeros
permanecen en el sitio que se formaron y los segundos son transportados lejos del
sitio donde se forma.
Una vez que la roca es desintegrada el material transportado de un lugar a otro y
depositado por las corrientes, el viento o las glaciares. El material se llama aluvial si es
transportado y depositado por las corrientes de agua; si es el viento existen tipos de
materiales: arena fina variable que puede acomodarse en montículos bajos o colinas
alargadas como son por ejemplo; las dunas; la ceniza volcánica y material similar al
limo llamado loess (material fino muy fértil). El material que es transportado por los
glaciales se llama acarreo glacial. Arcilla (Silicato de aluminio)
Erosión y depósito de la corriente
La carga de sedimento transportado por las corrientes tiene varias fuentes. En áreas
empinadas la corriente recolecta el material grueso del talud. El deslizamiento de tierra
también contribuye. La mayor proviene del material erosionado en la cuenca de
drenaje; una cierta cantidad también es producto de la descomposición de las rocas
que se encuentran en el fondo y orillas de la corriente. El material transportado varía
de muy grueso a muy fino. La cantidad de material transportado depende del tamaño
del material, del gasto, pendiente y características del canal.
Cuando se produce una inundación de la fuerza de acarreo disminuye ello ocasiona que
las arenas gruesas y gravas se depositen a la largo de la orilla produciendo los bordos
naturales. Al llegar el agua a la planicie (llanura) de inundación la velocidad es
demasiado pequeña y ayuda a que el limo se sedimente.
Las corrientes que provienen de las colinas y montañas que se distribuyen en valles
depositan sus sedimentos en forma de abanico y se llaman abanicos aluviales que
están formados de materiales con textura gruesa, principalmente arenas y gravas.
Si la corriente desemboca al mar y lleva todavía sedimentos no depositados en la
planicie de inundación al llegar a la desembocadura se tiene una reducción de la
velocidad que forma conjunto con el contenido salino del agua de mar producen la
deposición del material suspendido formado con ello el DELTA.
La planicie de inundación y del delta tiene un alto contenido de materia orgánica y el
abanico aluvial es menor fértil.
Los depósitos lacustres son gradualmente de granos muy finos a causa de la pequeña
velocidad con que las aguas fluyen en los lagos.
Erosión y depósito por viento
En régimen semiárido se tiene en promedio una lluvia media anual entre 254 mm y
508 mm. En los regímenes desérticos se tiene una lluvia media anual menor que 254
mm. Debido a lo escaso de la lluvia en esta zona las áreas de drenaje casi no existen y
por tanto la erosión por corrientes tampoco existe. Es decir el viento es el factor
predominante de erosión. La velocidad alta del viento que transporta arena fina en
ella, es un efectivo aporte de la erosión. Cuando el viento sopla el desierto y campos
de surcos, la arena fina y las partículas de polvo son transportadas lejos mientras que
el material grueso es dejado atrás. Este proceso se llama deflación. El polvo
transportado por el viendo conducido a grandes distancias y al reducirse la velocidad
del viento el material se deposita en forma de loess (mezcla uniforme de arenas finas
cuarzosas, algo feldespáticas, y limos estructurados en forma abierta y algo cohesiva
debido a la presencia de carbonatos de calcio y a la existencia de películas arcillosas
que cubre a las partículas o de médanos (Aglomeraciones de arena suelta, arenas de
baja altura y que fue detenida por algún obstáculo natural de la superficie del terreno,
está formado por arenas cuarzosas uniformes con algo de mica).
Forma del transporte de partículas por las corrientes
Arrastre de fondo
Arrastre en suspensión
Arrastre de lavado
Fuentes de los sedimentos
No se tienen bien definidas las fuentes de donde se producen los sedimentos, los
cuales llegan al río y son acarreados por él. En general la principal fuente son los
suelos y rocas que se encuentran en la cuenca y el agua y el viento los agentes de
erosión y de transporte. Sin embargo; por la intervención del hombre en el medio que
lo rodea, estas fuentes se clasifican en naturales y artificiales.
Naturales
a) Erosión de la superficie del terreno
Capa delgada y frágil sufre la acción del viento y la lluvia
b) Erosión del cauce principal y sus tributarios
Primero se forman arroyos y luego se forman los ríos.
Los ríos pueden ser juveniles, maduros y viejos. Son cambios graduales en su perfil
longitudinal, en su corte transversal y en su curso o trazado en planta. En el Río de
Montaña fuerte transporte de material y en el río de planicie velocidad pequeña y
depósito de material fino.
c) Movimientos naturales del terreno
Deslizamientos de grandes masas de tierra y roca
Artificiales
a)
b)
c)
d)
Destrucción de la vegetación
Obras de ingeniería
Explotación de minas y canteras
Desechos urbanos e industriales
En general, para hidráulica fluvial el origen de los sedimentos se da en tres grupos
1. Superficie de la cuenca
2. Procede del fondo y orillas de los ríos
3. Provienen de los desechos industriales y urbanos
Densidad y peso específico de los sedimentos
• El peso específico de la fase sólida de una partícula (γs), está definido por la relación
entre el peso de su fase sólida (Ws) y el volumen de sólidos (Vs).
γs = Ws/Vs
• La densidad de una partícula (ρs) depende de su composición mineralógica, o sea de
la densidad de los minerales que la constituyen. Se relaciona con el peso específico
según la ecuación siguiente:
ρs= γs/g
Los materiales aluviales contienen un alto porcentaje de cuarzo, por lo que es común
suponer que la densidad relativa (Ss) de las partículas sedimentarias es:
Ss = ρs/ρ = γs/γ = 2.65
Forma y tamaño de las partículas
Fig 2.4 Formas de las partículas del sedimento
Fig 2.5 Diagrama para clasificar las partículas de acuerdo con su forma
Esfericidad
a) Según Wadell
En la definición no se toma en cuenta el espesor de la partícula ya que la partícula
puede tener la misma esfericidad y diferentes espesores.
Wadell, señala en una forma más simple que
donde du es el diámetro nominal y
es el eje mayor
Fig 2.1 Determinación de la esfericidad respecto al grueso de las partículas, Fuente:
Garde.
b) Según Krambeiun
, , , son las dimensiones triaxiales, correspondientes a la longitud máxima
intermedia y menor medida en la dirección de tres ejes mutuamente perpendiculares.
Simons indica que en el análisis del sedimento la esfericidad ayuda a describir el
movimiento relativo de la partícula.
Redondez
Sirve para determinar el contorno o bordes de una partícula. Se define como el
cociente del radio de curvatura promedio del contorno entre el radio del círculo
máximo que puede inscribirse en el área proyectada. Da una idea de que tan chatos o
puntiagudos están los filos o aristas que definen el contorno.
Determinación visual de la redondez de la partícula (Fuente: Garde)
Determinación de la redondez respecto al grueso de la partícula
Factor de forma (SF shape form)
Mc Nown (1951) Sugiere el uso de este factor ya que da sus estudios encontró que la
velocidad de caída de la partícula es afectada por la forma. Dicho factor se define
como:
Para una esfera el
=1 y para otra forma de 1
Por otra parte Maza define que
diámetro máximo de la partícula
diámetro mínimo de la partícula
diámetro de una partícula en dirección perpendicular a las anteriores
Para Markwick si:
la partícula se considera larga
la partícula es plana
En función de la relación
elipsoidal
En la elección del
y
Zingg clasifica a la partícula en esférica, laminar o
influyen diferentes causas:
Para los geólogos la esfericidad promedio del material natural gastado varía entre 0.6
y 0.85 si la redondez promedio varía entre 0.3 y 0.8. Por otra parte ellos establecen
que la redondez aumenta cuando aumenta la esfericidad y que ambas aumentan al
incrementarse el tamaño de la partícula. Al hablar de la velocidad de caída se volverá a
tratar el
.
Esquema de las dimensiones triaxiales de una partícula
Valores de SF relacionados con la redondez
Tamaño
La forma y el peso específico tienden a variar con el tamaño de la partícula, tiene un
efecto directo sobre la movilidad desde piedras grandes que ruedan por la montaña
hasta arcilla fina, que están primeramente en movimiento y tardan varios días en
depositarse.
El tamaño se puede medir por métodos ópticos, fotografía, cribado o sedimentación.
El tamaño individual de una partícula no tiene importancia en la mecánica de los ríos o
en estudios de sedimentación pero la distribución de tamaños que forman el
sedimento que constituye el fondo y a las orillas de una corriente o de un
almacenamiento, si son de gran importancia. El sedimento natural es irregular en su
forma y por ello la definición del tamaño usado como única longitud es incompleta ya
que dependerá sólo de una única medición.
Para determinar el tamaño de la partícula se puede considerar las dimensiones
siguientes
a) Diámetro de cribado (d). Se refiere a la abertura mínima de la malla por la cual
puede pasar la partícula. Se usa en arenas y gravas finas.
b) Diámetro de sedimentación o equivalente. Es el diámetro de una esfera de la misma
densidad que tienen la misma velocidad de caída que la partícula al caer en el
mismo líquido y a la misma temperatura. Se usa para arcillas, limos y arenas finas.
c) Diámetro nominal (dm). Diámetro de una esfera con igual volumen que la partícula.
Se usa para partículas grandes. Por otra parte proporciona un tamaño físico de la
partícula. Pero no es adecuado usarlo cuando se trata de estudiar la movilidad de la
partícula dentro del fluido.
Para partículas naturales dm es ligeramente menor que du.
d) Diámetro de caída o diámetro de caída estándar. Diámetro de una esfera cuya
densidad sea 2.65 que tiene la misma velocidad de caída de la partícula cuando
ambas caen en agua destilada a 24°C.
e) Dimensiones triaxiales. Se refieren a la longitud máxima y mínima y la que resulte
medidas en la dirección de tres ejes mutuamente perpendiculares. A la máxima se
denomina a, b a la intermedia y c a la menor. Se usan para fijar el tamaño de los
cantos rodados o boleos. Según Fiwler.
SF
0.3
0.5
0.7
0.9
K
1.27
1.13
1.05
1.00
f)
Clasificación. Se hace en función del tamaño, para ello se hace el análisis de una
muestra.
g) Existen diferentes tipos de malla como por ejemplo
Tabla 2.5 Tabla Estándar, Fuente: U.S. Bureau of Estándar.
.
Tamices usados para la determinación de tamaño de partículas del suelo
La diferencia entre ambos es el número de malla que se usa, aunque en las más
pequeñas son las mismas. En la Tabla 2.5 se muestra una clasificación usando la
malla o la abertura.
En Hidráulica Fluvial se acostumbra usar la clasificación propuesta por la American
Geophisical Union, que se muestra en la tabla siguiente, la cual también es utilizada
para la mecánica de suelos.
Clasificación del sedimento según su tamaño
Los límites señalados son arbitrarios.
Se observa en dicha tabla que 0.062 mm (62 micras) es el límite entre limos y
arenas y para muchos investigadores es la frontera entre el material arrastrado en
el fondo y el arrastre en suspensión. Si las partículas son cantos rodados y boleos el
tamaño se obtiene midiendo directamente, para gravas y arenas cribadas y para
limos y arcillas sedimentados.








Cribado. Sirve para obtener el tamaño de la grava y arenas.
En forma aparente se selecciona la malla tomando en cuenta el tamaño del
material.
Se ordenan las mallas de mayor a menor y se coloca una tapa en la parte superior y
una charola en la inferior para que no se salga el material.
Se coloca en la malla superior una muestra integral seca que se pesa previamente.
Se agita durante 15 minutos con un agitado mecánico, si se hace manualmente se
hacen movimientos de rotación y movimientos transversales verticales.
Se pesa el material retenido en cada una de las mallas y en la charola.
Se suman los pesos que debe ser más o menos igual al de la muestra total. Se
obtiene el porcentaje en peso retenido en cada malla y en la charola, respecto al
peso total.
Se divide el porcentaje acumulativo que pase por casa malla.
En papel semi-logarítmico se dibujan los puntos que indican el porcentaje
acumulativo contra el logarítmico del diámetro de la malla.
Fig 2.7 Curva granulométrica
La curva que une las partes se lama curva granulométrica y de ella se obtienen los
diferentes diámetros representativos. Por ejemplo para D 50 se refiere al diámetro en
que el 50% en peso de las partículas es menor o igual a ese valor, se entra a la
escala de por cierto acumulativo y en donde corte la curva se refiere hacia el otro
eje para encontrar el D50.
Clasificación del suelo
BIEN = WELL(W)
MAL = POOR (p)
LIMO= SILT (S)
ARCILLA=CLAY (C)
G Grava (Gravel)
GW Gravas bien graduadas (Well graded)
GP Gravas mal graduadas (Poorly graded)
GM Gravas limosas (Silty gravels)
GC Grava arcillosa (Clayey gravels)
S Arenas (Sand)
SW Arenas bien graduadas (Well Graded)
SP Arenas mal graduadas (Poorly Graded)
SM arenas limosas (Silty Sands)
SC arenas arcillosas (Clayey sands)
ML Limos inorgánicos, limite líquido <50
CL arcillas inorgánicas, límite líquido <50
OL limos orgánicos, límite líquido <50
MH limos inorgánicos, límite líquido >50
CH arcilla inorgánica, límite líquido> 50 , alta plasticidad (High -> H)
OH arcilla orgánica. Límite líquido > 50, media a alta plasticidad
Pt Turba y otros suelos inorgánicos (peat and other highly organic soils)
Distribución de la frecuencia de tamaño
Esto se hace con el cribado del material y se representa por la curva granulométrica.
En base a esta se obtiene que
D35
D40
D50
D65
D85
Tamaño del sedimento para el cual el 35% de la muestra es fina. Para Einstein
es el diámetro representativo de la mezcla del sedimento.
Es el diámetro representado por Schoklistch.
Es la mediana del diámetro. Shields lo usa en el análisis de inicio de
movimiento.
Es el diámetro usado por Einstein para representar la rugosidad de la mezcla de
sedimento.
Es el diámetro utilizado por Cruickshank y Maza para separar el régimen
superior del inferior.
D90
Es el Diámetro usado por Meyer-Peter y Miller para representar la rugosidad de
la mezcla del sedimento.
No existe una evidencia física que señale la manera de fijar el diámetro representativo
una mezcla de sedimento y más bien se selecciona arbitrariamente.
Fig 2.7 Porcentaje de finos en la muestra
es el Diámetro medio dado por
Δi es una franja de porcentaje, en %
Di el correspondiente diámetro medio entre la franja.
Curva de frecuencias acumulada
físicamente representa la separación en dos áreas iguales, pero no a las
propiedades hidráulicas de la mezcla de sedimentos.
Por ejemplo: Las propiedades hidráulicas de una mezcla de arena son:
1.
Resistencia al flujo debido a la fricción entre ellas y el escurrimiento.
2.
La condición inicial que define el inicio del transporte.
Velocidad de caída de las partículas
Velocidad de caída (W)
La velocidad de caída de una partícula es una variable importante que ayuda a
describir el comportamiento de la partícula en relación con el fluido.
La velocidad de caída es la máxima velocidad que adquiere una partícula al caer dentro
de un líquido y se alcanza cuando el peso de la partícula se equilibra con la fuerza de
empuje que ejerce el agua contra la partícula. (Si la partícula cae dentro del agua a
una temperatura de 24°C se dice que se tiene la velocidad de caída estándar). Sin
embargo la fuerza de empuje depende de la orientación y del a forma del cuerpo
dentro de la corriente, es decir ello va a influir en si su posición es estable o no,
adicionalmente la partícula oscila al caer.
EL valor de w depende del tamaño, forma, peso específico y textura de la partícula,
temperatura y viscosidad del líquido. (Nótese que se toma en cuenta como es la
forma)
Velocidad de caída de una esfera
La expresión fue obtenida por Stokes (1815)
Prueba de Stokes
Cd
Coeficiente de arrastre, función del número de Reynolds
(Re de la partícula)
peso específico del líquido
A
área del a sección transversal de la partícula, proyectada en la
dirección de la caída.
W
peso de la partícula
w
velocidad de caída
D
diámetro de la partícula
peso específico sumergido e igual a
Igualando las 2 fuerzas se obtiene que
En este caso
CD en función de Re de la partícula y se obtiene de la figura siguiente propuesta por
Rouse.
Coeficiente de arrastre para esferas y discos
Para calcular w se procede de la siguiente manera:
1. Se supone CD
2. Se calcula w
3. 3. Se calcula
4. Con Re conocido se entra a la figura anterior y se obtiene el valor de CD.
Para esferas de cuarzo se recomienda usar la Fig 2.11. Su uso es muy sencillo ya que
se necesita encontrar el d y la temperatura del agua para obtener directamente el
valor de w.
Fig 2.11 Velocidad de caída de partículas naturales de cuarzo
Velocidad de caída para esferas muy pequeñas
Si el Re de la partícula es menor de 0.1, Stokes encontró que
por tanto se llega
a determinar que,
Por lo tanto la
es función del cuadrado del diámetro. Si se tiene agua a 20°C,
(104)
en m/s, d en m
Válido si d>0.0001 m
Según Osean (1927) para partículas pequeñas se tiene que
aplicable para
0.1 <
<5
El procedimiento para valuar
etcétera)
es el mismo que se señaló antes (Suponer CD,
Velocidad de caída para esferas grandes
Si el Re está comprendido entre 103 y 105 se considera que
aplicable para
Si
0.1 <
<5
<800
Velocidad de caída para partículas naturales
Para partículas naturales (partículas de grava o arenosas) (Rubey 1933) propone
utilizar
Para una temperatura de 20°C y
en la figura siguiente
kg/m3 la ecuación anterior se ha dibujado
Fig 2.12 Velocidad de caída de partículas naturales, según Rubey (para 20°C)
También para partículas naturales se pueden usar las curvas propuestas por la InterAgency Comittee in Water Resources para calcular la w en función del diámetro de la
partícula, de la temperatura del agua y del factor de forma. Para partículas de cuarzo
Fig 2.13 Relación entre la velocidad de caída y el diámetro de las partículas para
diferentes factores de forma u temperatura del fluido
a) Según Stokes la velocidad de caída de una partícula está dada por:
velocidad de sedimentación de la esfera, en m/s
peso específico de la esfera, en gr/m3
peso específico del fluido, en gr/m3
viscosidad dinámica del fluido, en gr*s/cm2,varía
temperatura del fluido
diámetro de la esfera, en cm
Se aplica a partículas en
con
la
< 0.2 mm
Se coloca la suspensión y se supone que está uniforme y en concentración baja para
que las partículas no se interfieran al sedimentarse. Al pasar un tiempo t todas las
partículas del mismo diámetro habrán recorrido una distancia H=wt, por tanto a la
profundidad H solo habrá partículas de diámetros equivalentes o igual o menor de D.
Por tanto el peso específico relativo de la suspensión a la profundidad H y en el tiempo
t es una medida de la cantidad de partículas de igual o menor tamaño D contenidas en
la muestra del suelo.
Medido el peso específico relativo de una suspensión, a una misma profundidad, en
distintas tiempos (Fig 2.14) se puede obtener un número de partes de la curva
granulométrica.
El diámetro se obtiene al despejar
y al usar la ecuación de Stokes se
obtiene el D.
Fig 2.14 Esquema para medir el peso específico relativo de una partícula D
Alteraciones en la velocidad de caída
La velocidad de caída se ve alterada por los siguientes factores
a) Cercanía de paredes o del fondo.
Esto provoca que w disminuya, se propone que en este caso.
w
es la velocidad de caída real
Por lo tanto
En este caso si la prueba se ha hecho en un tubo con
diámetro igual a D. Se tiene, según Mc Nown
aplicable cuando
Faxen
Aplicables cuando
Ladendarg
b) Presencia de otras partículas similares
Cuando cae dentro de una nube de partículas.
En este caso la w de caída de la nube es mayor que el de la partícula individual.
c) La concentración de partículas en la suspensión
Si la partícula cae en un líquido que tiene partículas similares dispersas su w
disminuye.
Se tiene lo siguiente:
Mc Nown:
Δ
es la distancia entre partículas adyacentes
concentración en volumen
Si
;
d) Cercanía de paredes o del fondo.
Esto provoca que w disminuya, se propone que en este caso.
w
es la velocidad de caída real
Por lo tanto
En este caso si la prueba se ha hecho en un tubo con
diámetro igual a D. Se tiene, según Mc Nown
aplicable cuando
Faxen
Aplicables cuando
Ladendarg
e) Presencia de otras partículas similares
Cuando cae dentro de una nube de partículas.
En este caso la w de caída de la nube es mayor que el de la partícula individual.
f) La concentración de partículas en la suspensión
Si la partícula cae en un líquido que tiene partículas similares dispersas su w
disminuye.
Se tiene lo siguiente:
Mc Nown:
Δ
es la distancia entre partículas adyacentes
concentración en volumen
Si
;
Concentración de partículas en suspensión
Distribución granulométrica de los sedimentos
Los datos medidos se expresan en cantidad del material retenido en mallas con
diferentes tamaños. Las formas de representarla son 3 y del análisis de ellas se
pueden hacer diferentes conclusiones.
A) Histograma. Es un método gráfico que permite representar la distribución de
tamaños.
Histograma
B) Polígono de frecuencia
Se obtiene a partir del histograma y en este caso lo que dibujan son las
partes medias de las líneas de clase y se une una línea recta.
Polígono de frecuencia
C) Curva de frecuencia (Función de densidad)
Si se reduce la marca de la clase en el histograma de frecuencia se obtiene
una curva continua que se conoce como curva de frecuencia. La selección del
intervalo depende del conjunto de mallas seleccionadas.
Curva de frecuencia
D) Curva de frecuencia acumulada (Función de distribución o curva de
distribución acumulada)
E) Si las ordenadas de la curva de frecuencia son acumuladas sucesivamente y
se dibuja contra el diámetro de las partículas de obtiene la curva de
frecuencia acumulada o curvas de distribución acumulada.
Curva de frecuencia acumuladas
A esta curva también se le conoce como función de distribución de frecuencia
de los tamaños de sedimentación y ayuda a describir el sedimento
transportado y el sedimento que forma el fondo de la cama del río.
La curva de frecuencia acumulada se puede dibujar en una gran variedad de
papeles, así por ejemplo:
1) Ambas en escala aritmética
2) En escala aritmética en las ordenadas y logarítmica en las abscisas (papel
que usa en mecánica de Suelos), papel semi logarítmico.
3) Escala de probabilidad en las ordenadas y logarítmica para las abscisas
(Papel, normal)
4) Escala de probabilidad en las ordenadas y logarítmica para las abscisas
(papel log normal).
Si se usa papel aritmético o semi logarítmico, la curva tiene forma de “S”.
Si la curva S tiene forma de línea recta en papel normal se dice que los datos se
ajustan a una función de distribución de probabilidad normal, es decir se ajusta de
acuerdo a la función normal de Gauss dada por:
d
σ
Fi
F(d)
diámetro del sedimento en estudio
diámetro medio aritmético
desviación estándar
probabilidad de ocurrencia del diámetro di y n el número total
de rangos de tamaño del sedimento ( di diámetro promedio de
cada uno de los rangos)
probabilidad de ocurrencia del diámetro d
La F(d) según Einstein sirve para explicar el moviemiento de las partículas del fondo
del cauce aluvial.
Distribución de probabilidad
La curva granulométrica se dibuja generalmente en papel semi logarítmico (En escala
aritmética el porcentaje y escala logarítmica los diámetros). Sin embargo también se
puede usar papel log-probabilidades (log-norma), normal de probabilidad y circular.
Si los datos se ajustan a una línea recta en los dos primeros casos o a un círculo se
dice que el tamaño del sedimento se comporta de acuerdo con la ley señalada por el
papel. (En arena natural la distribución de los diámetros generalmente es log-
normal). Hay que aclarar que el ajuste se hace entre el 84 y el 16% (es decir entre
estos puntos se dibuja una línea recta).
Distribución Normal
Se dice que los diámetros de las partículas siguen una ley normal (Gaussiana) si esta
queda exactamente alineada en una recta al dibujarlos en papel probabilidad, con ello
se puede calcular cualquier diámetro con la siguiente ecuación
Dm
diámetro de la partícula por debajo del cual queda el “n”
porciento de la muestra de suelo, en peso, en mm.
desviación estándar, obtenido si se conoce D34 y D16 ya que
ambos están a la misma distancia del D50 (+ 34%
ó
34%) ya que esta distribución es simétrica.
variable aritmética estandarizada, tiene distribución con media igual a cero y
desviación estándar igual a 1. Se obtiene en función de una probabilidad dada para
nuestra materia en función de un porcentaje dado y la tabla siguiente.
Zn
Tabla de distribución de probabilidad Normal
Por ejemplo se sabe que
D50= 0.33 mm
D84= 0.43 mm
D16= 0.23 mm
se ajusta a una distribución normal
Si se desea obtener el D15 y el D70 de la tabla anterior se obtiene para 15% (0.15)
Zn=1.03643.
Con la Tabla 2.6 que presenta solo la mitad se obtiene que
Lo que se tiene en esa tabla es
Por lo tanto entrando en 0.35 se obtiene que Zn=1.038 y
D15=0.3+1.03643(0.1)=0.226357
Para el /=% (0.7) de la tabla se tiene que Zn=0.52440
D70=0.33 + 0.5244 (0.1)=0.38244 mm
Ahora se tendría que
Se puede observar que la tabla solo da el área para 0.5 y por lo tanto entra con 0.2
(0.7-0.5)=0.2 y se tiene que Zn=0.528
Observese la ventaja de usar la tabla 3 en lugar de los tablas que solo muestran la
mitad de la curva normal. Solo hay que tener cuidado en que Zn es (-) si “n” es menor
del 50% y Zn es (+) si “n” es mayor del 50%.
Distribución Lognormal
aplicando la propiedad de los logaritmos
Algunos investigadores dicen que rigurosamente debe usarse D84.13 y D15.87
Para conocer cualquier Dn con esta distribución se tiene que
Distribución Logarítmica-arimética
Los diámetros se distribuyen siguiendo una ley lineal logarítmica, es decir una
distribución logarítmica.
A)
B)
Distribución Logarítmica-Logarítmica
Si los diámetros se distribuyen siguiendo una ley logarítmica se dice que la distribución
es logarítmica-logarítmica.
;
;
;
A)
B)
Distribución Circular
Si los diámetros se distribuyen siguiendo la forma de una circunferencia se dice que la
distribución es circular.
Dmax
diámetro máximo de la muestra en mm
Papel aritmético
Papel para distribución semilogarítmica
Papel para distribución logarítmica
Papel para distribución normal
Papel para distribución Circular
Si se adoptan escalas tales que la distancia representativa del diámetro máximo y del
100% sean iguales (L1=L2) en papel aritmético se obtiene un cuarto de circunferencia
en radio igual al Dmax. Si se dibuja en papel de distribución circular se obtiene una línea
recta.
EJEMPLO DE MEJOR AJUSTE
Ángulo de reposo
El ángulo de reposo es el ángulo de la pendiente formada por una partícula del
material bajo la condición crítica de equilibrio de deslizamiento incipiente.
El conocimiento de esta propiedad es importante en el estudio de la fuerza crítica
tractiva y el diseño de canales estables. En este último caso cuando se tienen paredes
con material no cohesivo la pendiente de ellos se relaciona con este ángulo. Se han
llevado a cabo pequeños trabajos relacionados con la determinación del ángulo de
reposo de diferentes materiales en diferentes medios como aire y agua, así por
ejemplo Gibson ha propuesto para calcular el ángulo de reposo bajo agua la siguiente
ecuación.
Φ
D
S
r
K
ángulo de reposo
diámetro medio del grano, en mm
gravedad específica de la partícula (γs/γ)
relación entre los diámetros largo y corto
coeficiente igual a 0.92
La ecuación se aplica para D entre 0.0052 y 0.0192 pulgadas y S de 0.9 a 1.63.
Simons sugiere la siguiente tabla para seleccionar Φ
El ángulo de reposo del material sugerido es el ángulo del talud bajo la condición
crítica de equilibrio cuando el material está sumergido.
Porosidad
Es una medida del volumen de vacios por unidad de volumen de sedimento o es el
porcentaje de vacíos en el volumen total del sedimento
En el valor de P influye la distribución de tamaños, forma de la partícula y manera de
depositarse las partículas. Se tiene porosidad efectiva que incluye solo vacíos
conectados entre sí. Relación entre porosidad efectiva y tipo de material.
Gravedad específica:
4°C
Peso específico sumergido
; γ peso específico del agua a
; γ peso específico del agua a 4°C
La arena tiene una Ss que varía entre 2.6 y 2.7, para fines prácticos de material del
río Ss=2.65, no obstante para el caso de que las partículas tengan un alto o bajo
contenido de minerales la Ss debe ser calculada en el laboratorio.
Peso específico y viscosidad dinámica de un líquido que contiene material
sólido en suspensión.
La cantidad de partículas que están dentro del interior de un líquido se conoce como
concentración, esta se puede expresar en peso o en volumen, siendo más fácil hacerlo
en la primera forma.
Por ejemplo si en una muestra de ½ lt hay 0.004 kg de material sólido la
concentración es igual
Las unidades son peso por unidad de volumen o peso por unidad de peso
La concentración también se puede dar en partes por millón (PPM) y se expresa en
peso o en volumen.
En peso
En volumen
Si el ejemplo anterior se desea expresar en PPM se tiene que
1PPM (8 kgf/m3)= Cs 10-3 kgf/m3
Por lo tanto Cs=8000 PPM
Viscosidad de un líquido con material en suspensión
La viscosidad de un líquido es diferente a la que se tiene con una mezcla de líquido con
partículas. Para Cs, expresada en volumen, es menor de 0.3 m3/m3. Einstein propone
usar la siguiente expresión para la viscosidad dinámica
Einstein expuso que la partícula era esférica con superficie lisa y que en las ecuaciones
de Navier Stokes la fuerza de inercia eran pequeñas, es decir; se podía despreciar.
Para concentraciones mayores, usando las mismas suposiciones de Einstein, Word
propone usar
Peso específico de un líquido con material en suspensión
Su obtención parte de lo siguiente
;
De la definición de concentración se tiene que
por lo tanto
Para algunos autores se tiene que
por lo tanto
TRANSPORTE DE SEDIMENTOS POR CORRIENTES
Preguntas fundamentales.
¿De qué formas se realiza el
transporte de materiales?
¿Cuándo y cómo comienza y/o
cesa la presencia de materiales
en la corriente?
Las respuestas a estas
preguntas tratan de
resolver dos problemas básicos
1) CUANTIFICACION DEL
VOLUMEN DE
MATERIALES TRANSPORTADOS
2) DEFINICION DE LA NUEVA
PENDIENTE
DEL LECHO DEL CAUCE O
PENDIENTE DE
EQUILIBRIO
El transporte de sedimentos se engloba dentro de la HIDRAULICA FLUVIAL, un campo
de la Hidráulica mucho más amplio, cuyo objetivo es el estudio de los fenómenos a que
da lugar el flujo de agua sobre un lecho que tiene la posibilidad de modificar sus
características en respuesta a las solicitaciones que el flujo induce, lo que a su vez
comporta sustantivas alteraciones cualitativas y cuantitativas en los parámetros del
referido flujo
Cuando el sedimento es transportado por el flujo se diferencian dos grandes grupos de
sedimentos:
•SEDIMENTO DE LAVADO: partículas muy finas como limos y arcillas y que el agua
transporta en suspensión
•SEDIMENTO DE FONDO: partículas mayores a 0.062 mm y pueden ir dentro de la
capa de fondo (arrastre) o en suspensión (según Einstein la capa de fondo es aquella
cuya altura es igual a 2 veces el diámetro de la partícula).
EL TRANSPORTE DE FONDO DEPENDE DE LAS CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DE LA
CORRIENTE (HIDRAULICA FLUVIAL) Y EN CAMBIO UN RIO PUEDE TRANSPORTAR
TANTO MATERIAL DE SUSPENSION COMO LLEGUE A EL, INDEPENDIENTEMENTE DE
SUS CARACTERISTICAS HIDRAULICAS.
SEDIMENTOS DE ARRASTRE DE FONDO
Se conocen hasta 17 ecuaciones para calcularlas. Una de ellas es la MEYER-PETER Y
MULLER:
Donde:
qB= transporte unitario de sedimentos expresado en volumen (m3/s m)
Dm = diámetro medio, m
E = densidad relativa de las particulas dentro del agua =(γs – γ)/γ
γs y γ = peso especifico de las partículas y del agua
donde:
R = radio hidráulico
S = pendiente hidráulica del escurrimiento
n = coeficiente de Manning
D90= diámetro de la curva granulométrica tal que el 90% de las partículas son
menores que este diámetro
SEDIMENTOS EN SUSPENSIÓN
TODAS LAS CORRIENTES LLEVAN MATERIALES SUSPENDIDOS, LOS CUALES TIENDEN
A DEPOSITARSE EN EL FONDO DEL CANAL, O BIEN DICHAS PARTICULAS LLEGAN A
UN EMBALSE DONDE SU VELOCIDAD Y TURBULENCIA SON REDUCIDOS.
LAS PARTICULAS PEQUEÑAS PUDEN PERMANACER EN SUSPENSIÓN POR UN TIEMPO
LARGO Y ALGUNAS VECES CRUZAN LA PRESA A TRAVÉS DE COMPUERTAS, TURBINAS
O VERTEDORES.
PARA DETERMINAR LA CANTIDAD DE SEDIMENTOS SUSPENDIDOS SE REALIZAN
MEDICIONES EN LAS CORRIENTES Y DICHAS MUESTRAS SON LLEVADAS A UN
LABORATORIO. LA MUESTRA ES FILTRADA PARA SEPARAR LOS SEDIMENTOS. LOS
SEDIMENTOS SON SECADOS Y PESADOS EXPRESANDO SU CONCENTRACION EN EL
AGUA EN UNIDADES DE EN PARTES POR MILLON (ppm). EL PROGRAMA BANDAS
REPORTA CONCENTRACIONES DE SEDIMENTOS EN LOS RÍOS.
MEDICION DE SEDIMENTOS EN UN VASO
-Medición de sedimentos sobre la corriente a la entrada del embalse.
- Medición directa en el embalse mediante levantamientos batimétricos.
- Predicción de azolves, entre ellos con la fórmula universal de pérdida del suelo
(aplicando la proporción de desplazamiento del sedimento) o con la fórmula universal
modificada de pérdida de suelo.
AZOLVE DEL EMBALSE
EL ÚLTIMO DESTINO DE TODOS LOS SEDIMENTOS SON LOS FONDOS DE LOS
EMBALSES. GRANDES PRODUCCIONES DE SEDIMENTOS ACORTAN LA VIDA ÚTIL DE
UN EMBALSE.
PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD MUERTA DE UN EMBALSE (PARA AZOLVES) SE
DEBE CONSIDERAR LA PRODUCCIÓN DE SEDIMENTOS PARA LOS N AÑOS DE VIDA
ÚTIL PLANEADA PARA EL EMBALSE. EL PESO ESPECÍFICO DEL SEDIMENTO VARIA DE
ACUERDO A LA EDAD DEL DEPOSITO (T EN AÑOS) Y DEL TIPO DE SEDIMENTO.
CONTROL DE SEDIMENTOS EN EMBALSES
LA SEDIMENTACIÓN NO PUEDE SER PREVENIDA PERO SI RETARDADA. UNA FORMA DE
HACER ESTO ES SELECCIONAR UN SITIO DONDE EL FLUJO DE SEDIMENTOS SEA
BAJO.
METODOS DE CONSERVACIÓN DE SUELO (TERRAZAS, CULTIVOS EN CONTORNO)
PROTEGER MARGENES DE LOS RÍOS VEGETANDOLOS O REVISTIENDOLOS BARRERAS
NATURALES QUE ATRAPAN LOS SEDIMENTOS ANTES DE LLEGAR A LAS PRESAS
DESAZOLVAR LA PRESA (DRAGANDO)
DEFLOCULAR EL SEDIMENTO COMPACTADO Y QUE PASE COMO LIQUIDO.