E.T.S.I. E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos Universidad de La Coruñ Coruña Hidráulica Fluvial Hidrá Hidráulica e Hidrologí Hidrología II ÍNDICE HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducció Introducción • Morfologí Morfología fluvial: Clasificació Clasificación de los rí ríos Morfologí Morfología Caracterí Características • Nociones de hidrá hidráulica fluvial: Clasificació Clasificación del transporte de sedimentos Caudal solido 1 ÍNDICE HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducció Introducción • Morfologí Morfología fluvial: Clasificació Clasificación de los rí ríos Morfologí Morfología Caracterí Características • Nociones de hidrá hidráulica fluvial: Clasificació Clasificación del transporte de sedimentos Caudal solido HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducción Similitudes entre canales y rí ríos: Transportan agua en lá lámina libre Determinació Determinación de: cuá cuánto, cuá cuándo, dó dónde, sobre qué é , secció ó n. Canales qu secci Ríos: Hidrologí Hidrología, Geomorfologí Geomorfología, Hidrá Hidráulica Morfologí Morfología: Canales fija, fija, Rí Ríos variable Interacció Interacción con el medio: Canales no Ríos si 2 HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducción Similitudes entre canales y rí ríos: Ríos: Comportamiento diná dinámico Doble transporte: agua y sedimentos Secciones en Rí Ríos: variables y cambiantes Ríos: régimen, resistencia, avenidas Ríos: Ingenierí Ingeniería fluvial (Geografí (Geografía, Geologí Geología, Biologí Biología,… a,… ) ÍNDICE HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducció Introducción • Morfologí Morfología fluvial: Clasificació Clasificación de los rí ríos Morfologí Morfología Caracterí Características • Nociones de hidrá hidráulica fluvial: Clasificació Clasificación del transporte de sedimentos Caudal solido 3 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Clasificació Clasificación de los rí ríos • Ríos efí efímeros: Climas aridos y semiá semiáridos Ríos perennes • Ríos aluviales: Discurren por materiales sedimentarios (llanuras de inundació inundación) Ríos de lecho rocoso • Ríos torrenciales: Pendiente mayor del 1,5 % (hidrá (hidráulica torrencial) Torrentes: Pendiente mayor del 6 % • Ríos de montañ montaña Ríos de llanura de inundació inundación HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Erosió Erosión en cabecera • Transporte en el cauce medio • Sedimentació Sedimentación en el tramo bajo: Aspecto có cóncavo • Hidrologí Hidrología fluvial: Estudio de la secuencia en que se presentan los caudales Régimen hidroló hidrológico (pluvial, nival, nival, tropical, monzó monzónico) nico) Q clasificados, Hidrogramas, Hidrogramas, Q max. max. instantá instantáneo (T) 4 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Tipos: Cauce trenzado (anastomosis) Son divagantes con gran capacidad de transporte só sólido (montañ (montaña) A A’ A A’ HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Tipos: Cauce sinuoso (meandriforme) meandriforme) Calado mayor en orilla concava. concava. Lugar geomé geométrico de los puntos con mayor profundidad: Thalweg Meandros: Diná Dinámicos, dos movimientos: · direcció dirección aguas abajo · profundizació profundización 5 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Evolució Evolución del meandro depende de la resistencia de la orilla a la erosió erosión Barras alternadas: playas en zona interior A B A’ A’ A B’ B B’ HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Meandros: Regulares e irregulares Simples o compuestos Regular Irregular Simple Compuesto 6 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos • Libertades: anchura, calado y planta • Relació Relación empí empírica para separar rí río trenzado o sinuoso (meandriforme (meandriforme)) i=pendiente ; Q (m3/s) Trenzado i · Q0,44 > 0,0116 0,44 i·Q < 0,0116 Sinuoso Pueden existir: · Trenzado y (parte má más alta) · Sinuoso (parte baja) HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Morfologí Morfología de los rí ríos Sinuosidad s = l/λ l/λ λ es 10 B ; a es 3 B λ es proporcional Q0,5 / D0,3 l B Amplitud a λ B Q0,5 ; λ Q0,5 ; v y 2/3 El calado y crece con el caudal menos que B 7 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología 1 material grueso 2 material medio 3 material fino Con má más caudal se tiende a hacerlo má más ancho y más profundo (B/y (B/y mayor cuanto mas caudal) B/y mayor cuanto má más material grueso El aumento del transporte disminuye la sinuosidad HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Caudal dominante El caudal que da lugar a la geometrí geometría hidrá hidráulica que se estudia τ↔y Q2 Llanura Q1 Cauce Caudal dominante: Caudal de período de retorno 1,4 años. Cuanto más irregularidad hidrológica T mayor (<7) Q1 Q2 Q Desbordamiento 8 HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Función de la vegetación Las plantas fijan el material suelto (sedimentació (sedimentación) • Orillas • Playas en el interior del cauce • Llanuras de inundació inundación - La vegetació vegetación presenta resistencia al Flujo y al Transporte de sedimentos. - Efecto má más importante en rí ríos pequeñ pequeños HIDRÁULICA FLUVIAL • Morfología Función de la vegetación Factores que influyen en la vegetació vegetación: • Estado de humedad en la zona de raí raíces • Acció Acción mecá mecánica de las aguas altas y avenidas • La calidad del agua (MO, oxí oxígeno, etc.) • Ciclo vegetativo 9 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Torrentes y Ramblas El torrente es el conjunto de: una cuenca de recepció recepción (erosió (erosión), n), un cauce de desagü desagüe (torrente ya formado, con transporte de sedimentos), sedimentos), y cono de deyecció deyección (sedimentació (sedimentación) Cuenca recepció recepción: Problemas ambientales (pé (pérdidas de suelo, acarcavamiento) acarcavamiento) Cauce: Problemas ingenieriles (erosió (erosión de lecho y orillas, transporte só sólido) Cono: Problemas hidroló hidrológicos (aterramiento del cauce e inundació inundación, tramos fluviales inestables) HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Torrentes y ríos torrenciales Cuenca de recepción Canal de desagüe Cono de deyección 10 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Ramblas Ramblas - Ríos efí efímeros, lecho con material granular. Cauces anchos, rectilí rectilíneos y a veces trenzados. - Grandes erosiones (transitorias y permanentes) y acreciones - En abanicos aluviales son difusos y tienen pendiente alta y gran transporte só sólido. - El caudal se pierde lo que origina un perfil recto y no concavo (GuadGuad-, Quebrada) HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Llanuras de inundación Áreas pró próximas al cauce principal del rí río que se inundan ocasionalmente (Ej. Rí Ríos de poca pendiente con morfologí morfología meandriforme) meandriforme) Cordón Río colgado Cauces de alta 11 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Llanuras de inundación Formació Formación sedimentaria cuaternaria de suelos variados Acreción vertical Material más fino Acreción lateral Material muy fino Material más grueso HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Deltas y Estuarios Delta: - Formació Formación activa “mar adentro” adentro” que puede crecer a ritmos muy elevados. - Morfologí Morfología llana con gran deposició deposición de sedimentos en las crecidas. - El cauce del rí río es meandriforme y diná dinámico por la baja resistencia de los terrenos aluviales. - Se forman sistemas trenzados que varí varían con el tiempo Emisarios: Cauces por donde discurre el agua en el delta 12 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Deltas y Estuarios Estuario: Desembocadura “tierra adentro” adentro”. Las orillas se van separando y el rí río se abre al mar. La marea determina el movimiento del agua en el estuario A’ Mar Barra litoral: Q’ Q A A A’ Río HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Estuario: Cuñ Cuña salina Río Mar Dulce Salada Estratificación (>1) y mezcla (<1): Número adimensional de Froude densimétrico 1= V ρs − ρ g⋅ y ρ 13 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Equilibrio del fondo: balanza de Lane SEDIMENTACIÓN (2) D i i (1) EROSIÓN qs EROSIÓN ACRECIÓN q i i’ Q causa de desequilibrio (>i/D sensible ; <i/D insensible) i B/y causa de desequilibrio HIDRÁULICA FLUVIAL • Características Leyes de Fargue La pendiente local del fondo del thalweg es proporcional a la variació variación de la curvatura del eje. y y c y 14 HIDRÁULICA FLUVIAL • Características La corriente del rí río: no paralela Más velocidad Menos velocidad Caudal menor, convergencia y divergencia, (más curvatura) HIDRÁULICA FLUVIAL • Características La corriente del rí río: Cambios en un tramo sinuoso de un rí río por ascenso y descenso del agua. El ecosistema fluvial: 15 ÍNDICE HIDRÁULICA FLUVIAL • Introducció Introducción • Morfologí Morfología fluvial: Clasificació Clasificación de los rí ríos Morfologí Morfología Caracterí Características • Nociones de hidrá hidráulica fluvial: Clasificació Clasificación del transporte de sedimentos Caudal solido HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Granulometrí Granulometría • Lechos de lo rí ríos: granulares o cohesivos Ríos aluviales Cauces tambié también en roca Lechos granulares erosió erosión má más lenta Lechos cohesivos son erosionables Reposició Reposición a granulares 16 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Granulometrí Granulometría • Lechos granulares D50 Peso de las partí partículas Tamañ Tamaño γs = 2,65 T/m3 Dispersión σg= (D84/D16)1/2 Curva granulomé granulométrica Lechos bien graduados acorazamiento HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Umbral del movimiento • Comienzo del arrastre Acció Acción del agua sobre el fondo cortante esfuerzo Resistencia de la partí partícula a ser movida funció función de: γs − γ Peso especí específico sumergido Tamañ Tamaño D Esfuerzo cortante τ 17 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Curva de Shields • Relació Relación adimensional de la fuerza promotora del movimiento con la fuerza estabilizadora Acción de arrastre / peso = τ D2 / (γs− γ)D3 = τ / (γs− γ)D • Velocidad de corte y tensió tensión cortante (en el fondo): τ = γ Rh I v* = (τ/ρ)0.5 v/v* = 8.0(y/D)1/6 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Curva de Shields Turbulento liso 1 Turbulento rugoso τ/(γs− γ)D Movimiento 0.1 0.056 V* δ V* Reposo Subcapa límite δ 0.01 1 10 No de Reynolds granular 100 1000 10000 Re* = v* D/ν • Velocidad umbral o crí crítica vc/((γs- γ/γ)D)1/2 = 1.414(y/D)1/6 18 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Acorazamiento • Arrastre del material má más fino quedando el má más grueso Transporte selectivo HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Acorazamiento • Acorazamiento diná dinámico Hay un cierto espesor en el que se mueven todas las partí partículas (movilidad igualada) - Las gruesas se mueven antes que las equiv. equiv. Homogé Homogéneas - Las finas se mueven despué después que las equiv. equiv. homogé homogéneas - Las finas se mueven antes que las gruesas Relació Relación con la rugosidad (Erosió (Erosión local, σg) - Avenidas que no destruyen la coraza (con o sin material fino) - Avenidas que destruyen la coraza (movilizació (movilización y remodelació remodelación) 19 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Clasificació Clasificación del transporte • Segú Según el modo: en suspensió suspensión (turbulencia) en fondo (rodando) A mayor flujo mayor tamañ tamaño de la partí partícula que se pone en movimiento • Segú Según el origen: Cauce (lecho) Cuenca (lavado) Modo de transporte Origen del material EN SUSPENSIÓN DE FONDO CUENCA LECHO HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Clasificació Clasificación del transporte • En suspensió suspensión (90%): mayorí mayoría por lavado de cuenca hidroló hidrológica (litologí (litología, pendientes, vegetació vegetación, P, Esc,..) Esc,..) Deposició Deposición en llanuras de inundació inundación, deltas,… deltas,… • En fondo (10%): ligado con la geomorfologí geomorfología del cauce (pendiente, ancho, granulometrí granulometría, caudal, …) 20 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Caudal só sólido Volumen por unidad de tiempo que atraviesa una secció sección transversal Transporte en suspensió suspensión peso/tiempo Transporte de fondo Volumen: Neto, Bruto (huecos + material) Peso: Peso seco, peso sumergido Caudal só sólido : M/T Caudal só sólido unitario: M/T L (por ud. ud. de ancho) HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Caudal só sólido y V(y) c(y) 21 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Mesoformas (formas del fondo) • Configuració Configuración ondulada Participan en el transporte y resistencia (rugosidad) Se presentan sobre todo en lechos de arenas Formas: Arrugas Dunas - arena fina, movimiento no turbulento rugoso (liso) - régimen lento HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Mesoformas Arrugas Dunas Lecho plano 22 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Mesoformas • Configuració Configuración ondulada Aumentando la velocidad Lecho plano Se añ añade a la resistencia por tamañ tamaño la resistencia de forma Formas: Antidunas - Gran transporte de sedimentos - Régimen rá rápido Rápidos y pozos - Resaltos HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Mesoformas Fr>1 Antidunas Fr<1 Rápidos y pozos 23 HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Mesorformas • Diagrama de formas (á (ábaco de Shields) Shields) τ = τ’ + τ” reposo τ/(γs− γ)D 1 lento Dunas Arrugas 0.1 rápido 1 Fr Lecho plano Reposo 0.01 1 10 100 1000 10000 Re* = v* D/ν HIDRÁULICA FLUVIAL • Nociones de Hidráulica fluvial Formas de fondo de gran escala 24
