OBRAS FLUVIALES 1. INTRODUCCIÓN Los ríos son elementos

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1. INTRODUCCIÓN
Los ríos son elementos naturales que captan las aguas de una cuenca y las transportan, en
régimen a superficie libre, hasta su desembocadura. La hidráulica fluvial estudia la
intervención del hombre sobre los ríos, ya sea para la adecuación al sistema de
aprovechamientos del recurso hídrico, la disminución de riesgos de daños por inundación,
o bien por la intersección del río con una obra de infraestructura (carretera, ferrocarril,
conducciones, etc.).
Si bien los ríos y los canales artificiales conducen agua mediante régimen a pelo libre,
existen importantes diferencias entre ambos. Como primer medida, es imprescindible
destacar, que los canales son obras de ingeniería como cualquier otra infraestructura. Un
canal responde a un proyecto, con su respectivo caudal de diseño, régimen de explotación,
trazado, revestimiento, sección tipo, etc. Además, es posible que el proyecto de un canal
contemple obras para evitar la entrada de sedimentos (trampas de arena, decantadores,
etc.).
Por lo contrario, en el caso de los ríos no existen determinaciones previas. El caudal es
siempre variable, según el régimen hidrológico de la cuenca, y puede ser a una escala de
tiempo estacional o bien restringido a un evento meteorológico. En general, la forma del
cauce de un río responde a ciertos caudales de elevadas recurrencias (pero no
extraordinarias). Además, existen las crecidas extraordinarias las cuales pueden
transformar la naturaleza o el curso del río (corte de meandros) otorgándole al mismo un
comportamiento dinámico que responde a ciertos grados de libertad.
Otra gran diferencia es que el río, al ser parte del medio ambiente, se relaciona con el
mismo y conforma a su alrededor un ecosistema húmedo, apropiado para la vida vegetal y
animal.
Un río mantiene un flujo bifásico de agua y sedimento (procedente del cauce o de la
cuenca), en el cual si no existen cambios espaciales o temporales, simplemente el río
aporta una cierta cantidad de ambas fases. La hidráulica fluvial intenta ser una herramienta
para el ingeniero en la cuantificación de los cambios en la fase sedimento, que le permitan
dar solución a problemas tales como tarquinamiento y pérdida de capacidad en embalses,
explotación de áridos admisibles, o variaciones en la cota de fondo. Estas últimas suelen
ser las mas graves para obras cimentadas en el río o cerca del mismo (puentes, acueductos,
etc.) y también para obras subfluviales (túneles).
Al poseer un fondo móvil, el régimen hidráulico de un río puede adaptarse a las altas
velocidades de erosión mediante una sucesión de régimen lento y rápido, como se observa
en la naturaleza. Existe una resistencia al flujo dada por el tamaño del grano del material
que compone el lecho, a la que debe agregarse una rugosidad debido a las formas del fondo
(rizos, dunas, etc.).
Para finalizar la comparación, es conveniente destacar que los ríos se encuentran sometidos
a crecidas, situación que crea las mayores solicitaciones modificando el equilibrio del
cauce, formando considerables erosiones, provocando desbordes e inundaciones, etc.
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2. NOCIONES DE MECÁNICA DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
2.1 Elementos: Agua – Sedimentos – Mezcla
Los materiales que componen los lechos de los ríos pueden ser granulares o cohesivos. Las
modificaciones del cauce de estos últimos son mas lentas debido a la mayor resistencia a la
erosión. Tras una erosión del fondo, un lecho cohesivo puede restablecer su cota original,
pero ya como material granular. La hidráulica fluvial relativa a lechos cohesivos aun se
encuentra en sus principios.
Una de las propiedades de mayor relevancia de las partículas de un lecho granular es el
peso. En general, los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales
cuya densidad “ρs” tiene poca variación. Un valor medio adoptado es ρs = 2.65 o también
la densidad relativa (respecto del agua) ρs/ρ = 2.65. La densidad relativa sumergida “∆” es
una relación de gran uso en la Mecánica del Transporte de Sedimentos y responde a la
siguiente expresión:
∆=
ρs − ρ
≅ 1.65
ρ
(1)
Debido a esta relación aproximadamente constante de los cauces naturales, la propiedad de
mas importancia pasa a ser el tamaño, como representación del volumen de la partícula.
Existen diferentes definiciones para establecer el tamaño de una partícula tales como:
diámetro de sedimentación, de tamiz, nominal, de caída, etc. (Weber, 2000).
De las dimensiones triaxiales de una
partícula ideal mostradas en la figura 1
(siendo a > b > c) la medida “b” es la
dimensión decisiva para que un grano
pase o sea retenido por un tamiz.
Figura 1: Ejes principales de una
partícula ideal.
La representación gráfica de las fracciones acumuladas de porcentaje en peso pasante a un
determinado tamaño (tamiz), correspondientes a las distintas dimensiones de granos que
representan una muestra, constituye la distribución granulométrica (ver figura 2).
R ÍO D E L L A N U R A
Uno de los diámetros más empleados es
el D50. En términos estadísticos es
interesante definir la varianza de una
muestra como:
R ÍO D E M O N T A Ñ A
100
90
% Pasante en Peso
80
70
60
50
σ 2 = ∑ % Pi ⋅ ( Di − Dm ) 2
40
30
20
(2)
10
0
0.01
0.1
1
10
Diámetro [mm]
Figura 2: Ejemplo de Curvas
Granulométricas.
100
donde: Dm es la media aritmética de los
diámetros de la muestra, Di es el diámetro
correspondiente a un porcentaje de
pasante Pi.
2
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Los ríos de montaña están compuestos generalmente por una mezcla de tamaños desde
finos a gruesos, el desvío estándar es σ > 3 y se dice que la granulometría es extendida o
que el material es bien graduado. Para los ríos de llanura en cambio, σ < 3 la
granulometría es uniforme o que el material es mal graduado (ver figura 2).
Normalmente, los materiales granulares se subdividen según el diámetro de tamizado;
mientras que los limos y arcillas según su diámetro de sedimentación. Una de las escalas
mas empleadas para esta separación es la clasificación del American Geophysical Union
(AGU) mostrada en la tabla 1.
Tabla 1: Clasificación de materiales sedimentarios de la American Geophysical Union.
Grupo
Clase
Tamaño [mm]
Muy grandes
2 048
-
4 096
Grandes
1 024
-
2 048
Medianos
512
-
1 024
Pequeños
256
-
512
Grandes
128
-
256
Pequeños
64
-
128
Muy gruesa
32
-
64
Gruesa
16
-
32
Mediana
8
-
16
Fina
4
-
8
Muy fina
2
-
4
Muy gruesa
1
-
2
Gruesa
0.5
-
1
Mediana
0.25
-
0.5
Bolos
Cantos
Grava
Arena
Fina
0.125
-
0.25
Muy fina
0.062 5
-
0.125
Grueso
0.031 25
-
Stokes
Limo
Mediano
0.062 5
0.015 625
-
0.031 25
0.007 812 5
-
0.015 625
Muy fino
0.003 906 25
-
0.007 812 5
Gruesa
0.001 953 125
-
0.003 906 25
Mediana
0.000 976 563
-
0.001 953 13
Fina
0.000 488 281
-
0.000 976 56
Muy fina
0.000 244 141
-
0.000 488 28
Fino
Arcilla
Fuente: García Flores et al (1995).
Otras propiedades de los sedimentos tales como factor de forma, esfericidad, redondez,
velocidad de caída, etc. se encuentran desarrolladas en algunas de las referencias
bibliográficas citadas, de las cuales se destacan entre otros García Flores et al (1995) y
Weber (2000).
Las propiedades de la fase agua son bastante conocidas por lo que sólo serán aquí
enumeradas: densidad ρ, peso específico γ, viscosidad dinámica µ, viscosidad cinemática
ν, índice de compresibilidad y elasticidad volumétrico, etc.
Respecto de las propiedades de la mezcla bifásica se destaca la concentración, la cual
equivale a la relación entre volumen de sólidos con volumen total de la mezcla, peso
específico de la mezcla, viscosidad dinámica de la mezcla, etc.
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2.2 Iniciación del Movimiento
Un lecho granular sometido a la acción de una corriente de agua, observará que en algún
momento una partícula es desplazada por la fuerza de arrastre del agua. Conocer en que
condiciones ocurre este fenómeno, es el problema denominado Inicio o Umbral del
Movimiento del fondo, el cual permite establecer el comienzo y la finalización del flujo
bifásico.
El estado del arte sobre este tema proviene fundamentalmente de estudios experimentales
en laboratorios y con arenas uniformes, los que paralelamente han sido apoyados en teorías
mecanicistas y análisis dimensionales, pero existe un cierto consenso en torno al resultado
obtenido por el investigador Albert Shields en 1936, conocido como Diagrama de Shields.
La acción del agua sobre el lecho puede caracterizarse por una tensión cortante sobre el
fondo τo. La resistencia de la partícula a ser movida puede relacionarse con su peso
sumergido, el cual es función del peso específico sumergido (γs-γ) y el diámetro D que
caracteriza el volumen de la partícula. Con estas tres variable puede formarse el parámetro
adimensional τ o tensión de corte adimensional.
τ =
τo
(γ s − γ ) D
(3)
Esta relación compara la fuerza que tiende a producir el movimiento (acción de arrastre
proporcional a τoD2) con la fuerza que procura estabilizarlo o mantenerlo en reposo (acción
del peso proporcional a (γs-γ)D3).
Analizando el equilibrio de fuerzas en un tramo de cauce de longitud diferencial, en el
sentido de la corriente la componente del peso del volumen de control es contrarrestada por
la fuerza de rozamiento en su contorno (ver figura 3).
τ
Figura 3: Corte longitudinal esquemático de un cauce.
Para un cauce prismático, el peso del líquido “W” es igual al producto del peso específico
por el volumen de control W = γ ⋅ A ⋅ dx donde “A” es el área transversal del cauce. La
componente en la dirección del flujo Wx = γ ⋅ A ⋅ dx ⋅ sen θ . Si el ángulo “θ” es pequeño
sen θ ≈ tg θ ≈ S siendo “S” la pendiente del tramo de cauce analizado.
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Por otro lado, existe una fuerza de fricción aplicada en todo el contorno del cauce que se
opone al escurrimiento τ o ⋅ P ⋅ dx , donde “P” es el perímetro mojado del cauce. Analizando
el equilibrio de ambas fuerzas resulta τ o ⋅ P ⋅ dx = γ ⋅ A ⋅ S ⋅ dx , resolviendo se obtiene:
τo = γ ⋅ R ⋅ S
(4)
donde “R” es el radio hidráulico del cauce ( R = A ). Para cauces muy anchos (B > 20 h)
P
entonces R≈h. La ecuación 4 puede escribirse:
τo = γ ⋅ h ⋅ S
(5)
La acción del agua sobre el fondo puede representarse también por una velocidad
característica denominada “velocidad de corte u*”. De los conocimientos adquiridos en
Mecánica de los Fluidos, esta velocidad se define a partir de la tensión τo como:
u* =
τo
ρ
(6)
o bien:
τ o = ρ ⋅ u*
2
(7)
El parámetro adimensional τ definido en la ecuación 3 puede expresarse en términos de la
velocidad de corte como:
ρ ⋅ u*
u*
u
τ =
=
= *
(γ s − γ ) D g ( ρ s − ρ ) D g∆D
ρ
2
2
2
(8)
Esta última expresión tiene la estructura de un número de Froude. Además, con la
velocidad de corte es posible definir otro parámetro adimensional denominado número de
Reynolds granular “Re*”.
Re* =
u* D
υ
Es importante destacar que los flujos en
la naturaleza son turbulentos y
dependiendo del espesor de la subcapa
viscosa “δ” respecto del diámetro “D” de
las partículas del lecho, el movimiento
podrá ser turbulento a pared lisa (δ > D) o
rugosa (δ > D) según muestra la figura 4.
(9)
Figura 4: movimiento turbulento liso
(izq.) y rugoso (der.).
5
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El espesor nominal adimensional de la subcapa viscosa se puede relacionar con el Re* de la
siguiente forma:
Re* = 11.6
D
δ
(10)
por lo tanto
δ = 11.6
D
υ
= 11.6
Re*
u*
(11)
de la ecuación 11 se observa que si Re* = 11.6 entonces δ = D encontrándose el flujo en
una situación particular entre pared lisa y rugosa.
El diagrama de Shields (figura 5) muestra la relación entre los parámetros adimensionales
τ y Re* descriptos anteriormente. Por debajo de la curva existe reposo; mientras que los
puntos por encima de la curva corresponden al movimiento desarrollado. En realidad, este
diagrama no es una relación determinística, sino que existe una zona o banda alrededor de
la curva en la cual existe una alta probabilidad (∼ 40 a 50 %) de inicio de movimiento. A
este valor del parámetro adimensional se lo denomina como tensión crítica “τc”.
PARED LISA
MOV.
TURB.
LISO
PARED RUGOSA
MOV. TURB.
DE TRANSICIÓN
MOV. TURB.
RUGOSO
11.6
Figura 5: Diagrama de Shields.
El número de Reynolds granular refleja la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas
en el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. Al aumentar Re* el
movimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields tiende a ser
asintótica horizontalmente (situación análoga al problema de fricción en tuberías del ábaco
de Moody). El valor de la tensión adimensional τ en este régimen es independiente del
Re* variando, según distintos autores, desde 0.03 a 0.06.
El límite entre movimiento turbulento liso y el intermedio es para Re* menores a 3 – 5 (δ >
D). Para el paso de intermedio a turbulento rugoso el Re* es de 70 – 100 (δ < D).
6
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2.3 Acorazamiento
Una limitación de la teoría del diagrama de Shields es que dicha curva fue deducida
mediante experimentos de laboratorio para materiales granulares finos y de granulometría
uniforme.
En la naturaleza y sobre todo en ríos de montaña, el lecho esta constituido por una mezcla
de materiales de distintos tamaños, cada uno de los cuales posee una tensión crítica
diferente. Por lo tanto, una misma corriente puede desplazar mas fácilmente a los
materiales finos que a los gruesos.
Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículas
más finas, de manera que un material originalmente bien graduado sometido a un régimen
permanente, al cabo de un tiempo presentará una frecuencia mayor de gruesos en la
superficie. A esta condición se la denomina como acorazamiento del lecho.
Figura 6: Acorazamiento.
Este fenómeno influye en la rugosidad del cauce ya que la superficie del fondo presenta
partículas de grano mayor. También influye en el inicio del movimiento del lecho ya que
es necesario primero destruir la coraza para poder mover en material mas fino que hay
debajo.
Existen estudios empíricos o semi-teóricos que analizan el inicio del movimiento de una
mezcla y establecen que las partículas gruesas se ponen en movimiento para una esfuerzo
de corte menor del que necesitaría si estuviera acompañada de partículas de su mismo
tamaño. Inversamente, las partículas más finas necesitan un esfuerzo mayor para ponerlas
en movimiento.
Esto significa que una mezcla presenta un comportamiento conjunto en el umbral del
movimiento, retrasando o dificultando el desplazamiento de las partículas finas, y
anticipando o facilitando el de los granos más gruesos.
La posibilidad de acorazamiento de un lecho puede juzgarse por medio de la desviación
granulométrica típica σ . En general, para valores de σ > 3 puede existir este fenómeno.
7
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2.4 Formas de Fondo
Cuando es superado el umbral del movimiento τ > τ c , el fondo de un río puede presentar
una configuración ondulada siguiendo las llamadas formas de fondo. Este fenómeno tiene
gran importancia porque participa en el transporte de sedimentos e interviene en la
resistencia al flujo (rugosidad). Las formas de fondo ocurren en lechos de arena, mientras
que en ríos de grava o de materiales gruesos y de granulometría extendida se presentan en
forma limitada o directamente no se producen.
Al comenzar el movimiento en un lecho de arena e ir aumentando la velocidad se
presentan las siguientes formas: rizos, dunas, fondo plano y antidunas. Los rizos o arrugas
son pequeñas ondulaciones triangulares con altura máximas del orden de centímetros y
longitud de onda del orden de decímetros. Sólo aparecen con arena fina (< 0.6 mm) y su
presencia es un indicador que el movimiento en el fondo todavía no es turbulento rugoso (δ
> D).
Las dunas son ondulaciones también triangulares pero con taludes diferentes, el de aguas
arriba es muy suave y el de aguas abajo es muy marcado. El tamaño de la duna es un orden
de magnitud mayor que el de los rizos y además mantiene una proporción con el tirante de
agua. La superficie libre se ondula suavemente en oposición al fondo (descenso sobre la
cresta y ascenso sobre el valle) lo que indica que el régimen hidráulico es lento. Las dunas
se desplazan hacia aguas abajo por el avance de los granos sobre la pendiente suave para
quedar atrapados en el valle, o bien ser suspendidos dentro de la masa líquida debido a la
gran turbulencia de estos sectores.
Aumentando la velocidad de la corriente, las dunas se alargan hasta ser barridas, quedando
el lecho plano. Con una velocidad mayor, el lecho se ondula en formas asimétricas
llamadas antidunas cuya forma puede migrar hacia aguas arriba a pesar de verificarse un
fuerte transporte de sedimentos aguas abajo. La superficie libre presenta una fuerte
ondulación en correspondencia con el fondo, lo que indica que el régimen hidráulico es
rápido.
La evolución de este régimen conduce a la aparición de crestas de espuma y finalmente
verdaderos resaltos hidráulicos. En ocasiones, se añade a la clasificación una denominada
“rápidos y pozos” que es el punto final de la evolución y se producen en ríos de gran
pendiente. Este hecho sugiere que el régimen rápido no ocurre en forma estable y
prolongada dado que el fondo es deformable y móvil. La secuencia de las formas de fondo
descriptas se muestran en la figura 7.
Figura 7: Formas de fondo: a) rizos, b) dunas, c) antidunas, d) rápidos y pozos.
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Existen diversos criterios para deducir las formas de fondo de un lecho granular. Uno muy
simple emplea las mismas variables adimensionales del diagrama de Shields, con lo que
resulta un área distinta para cada forma por encima de la curva de inicio del movimiento
(figura 8). Se observa que los rizos o arrugas corresponden al movimiento turbulento liso y
que son sustituidas por dunas y lecho plano para flujo mas desarrollado. Otros autores
presentan gráficos similares de los que se destacan el de Bogardi citado por Weber (2000).
Figura 8: Formas de fondo en un Diagrama de Shields.
Cada forma de fondo agrega a la rugosidad debida al tamaño del grano una resistencia por
forma. Ésta es lógicamente mayor con las dunas que con rizos o fondo plano. Por otro
lado, este último coincide aproximadamente con el régimen crítico (Fr = 1). En la figura 9
se observa la tensión total debida a las fuerzas de rozamiento en el fondo según la
evolución de formas.
Figura 9: Tensión de corte total en función del número de Froude.
Para separar la fricción por grano de la que producen las formas de fondo existen diversos
métodos empíricos de los cuales se destacan el de Einstein, Einstein-Barbosa y EngelundHansen. Este último es desarrollado por Weber (2000).
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2.5 Transporte de Sedimentos
•
Clasificación de transporte
El transporte de sedimentos en un río puede clasificarse conforme a dos criterios: según el
modo de transporte y según el origen del material. Según el modo de transporte, el
sedimento puede ser transportado en suspensión sostenido en el seno del flujo por la
turbulencia, o bien por el fondo rodando, deslizando o saltando (en correspondencia con el
tamaño del grano: de grueso a fino respectivamente).
Una partícula inicialmente en reposo puede ser transportada rodando o saltando cuando se
supera el umbral del movimiento, pero si la corriente sigue creciendo, puede ser luego
transportada en suspensión. Cuanto más intensa es la corriente mayor es le tamaño del
material que puede ser puesto en suspensión y transportado de ese modo. Esta idea
conduce a observar que el sedimento cuyo origen es el cauce puede ser transportado de
ambos modos: en suspensión y por el fondo.
Otro origen posible del material transportado es la cuenca hidrográfica del río. Este
material es muy fino (limos y arcillas D < 0.0625 mm), es transportado siempre en
suspensión y se denomina carga de lavado (de la cuenca) o foránea (al cauce). La
clasificación del transporte de sedimentos se resume en la tabla 1.
Tabla 1: Clasificación del Transporte de Sedimentos.
Origen del Material
LECHO (qs)
Modo de Transporte
qsf
• Rodamiento
DE FONDO
qss
CUENCA (qw)
Material grueso
• Deslizamiento
• Saltación
(debido a las
Formas de Fondo)
Material fino
EN SUSPENSIÓN
El transporte de sedimentos total será:
qt = qsf + qss + qw
(12)
El transporte en suspensión puede representar el 90% o más de todo el transporte sólido de
un río y dentro de éste la carga de lavado o foránea puede ser la más importante. La carga
de lavado está relacionada a las características hidrológicas de la cuenca: tipo de suelos y
cobertura, topografía, precipitaciones, etc. el material transportado en suspensión tiene
gran repercusión en la desembocadura de un sistema fluvial: formación de deltas y
colmatación de embalses.
El transporte de fondo en cambio, tiene la mayor repercusión sobre el río mismo ya que
causa sus modificaciones y es por ello el interés en la hidráulica fluvial. El transporte de
fondo (material del cauce) está relacionado a las características del cauce: ancho,
pendiente, granulometría, caudal, etc.
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La separación de transporte de fondo a suspensión no es abrupta en la naturaleza, es decir
no existe un límite exacto, pero si se cuenta con criterios empíricos tales como el de
Raudkivi (ver tabla 2) que permite tener una idea de este fenómeno en función de la
relación entre la velocidad de caída de las partículas “ω” con la velocidad característica
cerca del fondo “u*”.
Tabla 2: Criterio de Raudkivi para separación de modos de transporte de Sedimentos.
6>
2>
0.6 >
•
ω/u*
ω/u*
ω/u*
>2
> 0.6
>0
Rodamiento, deslizamiento
Saltación
Suspensión
Concepto de equilibrio del fondo
Un lecho se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos cuando no
sufre modificación en su cota de fondo. Las variables que entran en juego para
proporcionar este equilibrio son numerosas. Con un propósito sólo cualitativo, Lane en
1955 propuso tener en cuenta 4 variables: caudal líquido “q”, caudal sólido de fondo “qsf”,
la pendiente “S” y el tamaño del sedimento “D” y las dispuso en la analogía de la balanza
(figura 10). La balanza de Lane es una herramienta muy útil para analizar el desequilibrio
de un río, en particular, por causa de una intervención humana.
Figura 10: Analogía de la Balanza de Lane.
Los caudales líquidos y sólidos de un río pueden estar equilibrados o no, si no están en
equilibrio puede haber exceso o defecto de material sólido, respondiendo mediante una
sedimentación o erosión respectivamente.
Esta igualdad es relativa a la pendiente de cauce, y se puede establecer la pendiente de
equilibrio como aquella que compensa los caudales líquidos y sólidos (por ejemplo muchos
sólido y poco agua se equilibran formando una gran pendiente).
El equilibrio depende también del tamaño del material. Por ejemplo, el mismo caudal
sólido de partículas mas gruesas y el mismo caudal de agua se equilibra con una mayor
pendiente, y viceversa.
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•
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Cuantificación del transporte
La cuantificación del caudal sólido de un río puede hacerse mediante mediciones (ya sean
directas o indirectas) o con el empleo de fórmulas de transporte. Las ecuaciones o fórmulas
de transporte tratan de cuantificar el caudal sólido de una corriente en función de sus
características hidráulicas y de las propiedades geométricas y granulométricas del cauce.
La complejidad de la mecánica de transporte de sedimentos es tal que todavía no existe una
verdadera ecuación dinámica del transporte de la fase sólida de un flujo de agua y sólidos.
En su lugar, se han desarrollado numerosas ecuaciones empíricas, semiempíricas o basadas
en distintas teorías y que responden a ciertas observaciones, en general, de laboratorio.
Estas ecuaciones son aproximadas, no exactas, y sólo válidas dentro del rango en que
fueron obtenidas cada una de las variables y sus relaciones.
Otra limitación de las ecuaciones de transporte proviene de que son fórmulas de capacidad
de transporte, es decir, de transporte en potencia. Para que el transporte real sea
comparable a la capacidad de transporte es necesario que exista sedimento disponible en la
corriente. Cuando existe material disponible el transporte real y la capacidad tenderán a
coincidir en términos medios de espacio y tiempo. En cambio, si no hay disponibilidad de
material el transporte real será inferior a la capacidad.
Para un flujo dado, la capacidad de transporte (el caudal sólido transportable) es menor a
mayor tamaño de las partículas. Lo mismo puede suceder con la disponibilidad, es decir, el
volumen por unidad de tiempo que la parte superior del cauce o la cuenca puede
proporcionar al tramo considerado.
Entre ambas magnitudes puede ocurrir lo ilustrado en la figura 11, en tal caso, la
aplicabilidad de una fórmula de transporte será errónea si el material es mas fino que D*,
pues la cantidad transportada estará controlada por la disponibilidad del material, no por la
capacidad de transporte.
Figura 11: Disponibilidad y capacidad con relación al transporte sólido.
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Las ecuaciones de transporte de fondo son fórmulas unívocas y más o menos explícitas
entre en caudal sólido unitario qsf y las características hidráulicas del cauce. Muchas
responden a una relación funcional del tipo:
q sf = F (τ o − τ c )
(13)
donde τ c es la tensión crítica (Shields) y τ o la tensión actuante en el fondo. De esta manera,
el caudal sólido es función creciente del exceso de tensión de corte sobre la del inicio del
movimiento.
En general, ante solicitaciones máximas (crecidas) las fórmulas arribadas por diferentes
autores muestran cierta similitud en que este funcional “F” responde a una potencial con
exponente 3/2 (García, 1999).
Tanto para la cuantificación del transporte de fondo como la carga de lavado existe una
gran cantidad de ecuaciones de diferentes autores. Estas ecuaciones son ampliamente
desarrolladas en diversas bibliografías de las cuales se destaca principalmente la de Maza
et al (1996) y Weber (2000).
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3. CONTEXTO GEOMORFOLÓGICO
La morfología de ríos estudia la estructura y forma de los ríos, abarcando la configuración
del cauce en planta, la geometría de las secciones transversales, las formas de fondo y las
características del perfil longitudinal.
Las teorías y planteos analíticos para ríos se han desarrollado para casos idealizados. Los
datos empleados, ya sean de campo o laboratorio, corresponden a canales rectos con
secciones transversales casi invariantes, en los cuales se supone que el caudal es casi
constante y se mantiene por grandes periodos.
Efectivamente, los ríos reales muestran muchas de las características idealizadas en los
canales estables que merecen la atención del ingeniero; sin embargo existen varias
diferencias entre ambos que es necesario conocer para la aplicación satisfactoria de dichas
teorías.
3.1 Clasificación de los Ríos
Para facilitar el estudio, se han clasificado a los ríos según diferentes puntos de vista, lo
cual permite ubicar fácilmente a cualquier cauce para determinar sus principales
características. Debe tenerse e cuenta que en la naturaleza es posible encontrar situaciones
intermedias a las que serán definidas en esta clasificación.
3.1.1 Según la Edad
Geológicamente, los ríos son clasificados como jóvenes, maduros y viejos. Los ríos
jóvenes se encuentran en cauces de montaña, tienen pendientes altas y sección transversal
tipo “V”. Son muy irregulares y generalmente se encuentran en un proceso de degradación.
Los ríos maduros se presentan en valles amplios y tienen pendientes relativamente bajas, la
erosión de las márgenes ha reemplazado a la erosión de fondo. Estos ríos son estables y la
sección transversal de cada tramo es capaz de transportar la carga de sedimento en todo su
recorrido.
Los ríos viejos se encuentran en valles amplios y planicies cuyo ancho es 15 a 20 veces
mayor que el ancho de meandros. Las pendientes son muy bajas y forman depósitos
naturales de sedimentos en las márgenes. Frecuentemente se encuentran zonas de pantanos
y/o lagos con formas de herradura que son restos de meandros abandonados que fueron
cortados en forma natural.
3.1.2 Según la Condición de Estabilidad
a) Estabilidad Estática: cuando la corriente es capaz de arrastrar sedimentos pero no
puede mover las partículas o elementos de las orillas. Por ejemplo en márgenes rocosas
o con suelos de alta cohesión.
b) Estabilidad Dinámica: cuando las variaciones de corriente, materiales del fondo y de
las orillas y los sedimentos transportados han formado una pendiente y una sección
14
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
transversal que se mantienen en el tiempo. En estas condiciones, el río sufre
desplazamientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las márgenes
exteriores y depositación en las interiores. Todos los caudales, antes de producirse un
desborde, escurren por un único cauce que no tiene islas o bifurcaciones. Por ejemplo
ríos de planicie formados por un único cauce.
c) Inestabilidad Dinámica: el río escurre por un solo cauce pero se presenta cuando el
desplazamiento lateral de los meandros es muy intenso y por lo tanto, el corte natural
de ellos ocurre frecuentemente. Por un lado, el río trata de desarrollar su pendiente de
equilibrio al desarrollar sus meandros y por otra, éstos se estrangulan rápidamente y se
cortan. El río no alcanza a estabilizar su pendiente.
d) Estabilidad Morfológica: este grado de estabilidad posee el concepto más amplio. En
cualquier cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho y el tirante de su
sección transversal, así como el número de brazos en que se divide el cauce, dependen
del caudal líquido que escurre anualmente y de su distribución, de las características de
los materiales que componen el lecho y las orillas, y de la calidad y cantidad del
sedimento que es transportado. En otras palabras, cualquier corriente natural no
alterada por factores humanos tiene estabilidad morfológica. Un cauce que en forma
natural tiene estabilidad estática o dinámica, también tiene la morfológica.
3.1.3 Según el Tramo (ver tabla 3)
Tabla 3: Clasificación propuesta por Lojtin según la ubicación del tramo.
Denominación
Alta Montaña
Montaña
Faldeo o Piedemonte
Intermedio
Planicie (con cauce arenoso)
Río Caudaloso
Río poco Caudaloso
D/S
> 10
>7
>6
>5
Fr
>1
0.7 a 1
0.45 a 0.7
0.2 a 0.45
>2
>1
0.44 a 0.55
0.14 a 0.44
Donde: D diámetro medio de las partículas de fondo [m]; S pendiente del cauce [m/m] y Fr
número de Froude.
3.1.4 Según los Grados de Libertad
Se denomina grados de libertad (GL) a la forma de respuesta de un cauce ante una
variación en el caudal (ver figura 12).
i.
Si sólo varia el tirante, se dice que existe 1 GL (por ejemplo un canal revestido de
hormigón armado). Cuando se tiene 1 GL no existe transporte de sedimentos.
ii.
Cuando sólo puede variar el tirante y la pendiente, se dice que el cauce tiene 2 GL
(por ejemplo cuando las márgenes son rocosas y el fondo arenoso).
15
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
iii. Si además del tirante y la pendiente, también pueden alterarse las márgenes y
ajustarse al ancho, se dice que el cauce tiene 3 GL (por ejemplo la mayoría de los
cauces naturales que escurren sobre materiales aluviales).
Figura 12: Grados de Libertad de un Cauce.
Para algunos autores existe un cuarto grado de libertad. Este cuarto GL lo tienen los cauces
con 3 GL cuando llegan a formar meandros. En general, se considera que las corrientes
naturales tienen 3 GL, y que si desarrollan meandros es porque la pendiente de la planicie
es mayor que la pendiente hidráulica del escurrimiento, y por lo tanto, se ven obligados a
aumentar la longitud de su recorrido, lográndolo al erosionar las márgenes y desplazarse
lateralmente.
3.1.5 Según el Material de las Márgenes y el Fondo
a) Cohesivo: son cauces alojados en materiales predominantemente arcillosos.
b) No cohesivos o Granulares: cauces alojados en material formado por partículas
sueltas. Pueden subdividirse a su vez según la clasificación dada en la Tabla 1 o
bien según la distribución granulométrica:
i. Bien graduados o con granulometría extendida: σ > 3 existe la posibilidad
de acorazamiento;
ii. Mal graduados o de granulometría uniforme: σ < 3
16
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
3.1.6 Según el Tiempo que Transportan Agua
a) Ríos Perennes: estas corrientes transportan agua durante todo el año y están siempre
alimentadas por el agua subterránea. Son propios de climas húmedos.
b) Ríos Intermitentes: transporta agua en las épocas de lluvias cuando el nivel freático
asciende. En épocas de sequías el río no transporta agua excepto cuando ocurre una
tormenta. Son propios de climas semiáridos.
c) Ríos Efímeros: aquellos que sólo llevan agua bajo episodios de fuertes
precipitaciones, manteniéndose secos el resto del tiempo. El nivel freático se
encuentra siempre debajo del lecho, y es el río el que alimenta a los
almacenamientos subterráneos. Son propios de climas áridos.
3.1.7 Según la Pendiente
la pendiente de un río establece la diferencia más importante en cuanto al régimen
hidráulico.
a) Torrenciales: S > 1.5 %
b) Torrentes: S > 6 % en éstos se abandona la premisa de que el flujo tiene una fase
líquida y otra sólida, ya que la cantidad de sólidos transportados es tal que el
comportamiento del flujo es no newtoniano (Huang et al, 1997)
3.1.8 Según la Geometría
Para esta clasificación se emplea la relación conocida como índice de sinuosidad “P”
según:
P=
Longitud del Thalweg
Longitud del Valle
a) Cauces Rectos: normalmente
ocurre en pequeños tramos y son
transitorios ya que cualquier
perturbación produce flujos
transversales que inician la
formación de curvas o meandros.
P < 1.2. En general, los tramos
rectos se presentan cuando el río
escurre a lo largo de una falla
(14)
geológica o cuando existe alguna
modificación de tipo antrópica.
Figura 13: Cauce Recto.
b) Cauces Sinuosos: 1.2 < P < 1.5
17
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
c) Cauces con Meandros: P > 1.5.
estos cauces presentan curvas
alternadas unidas por tramos
rectos y cortos. La pendiente
normalmente es baja. Los tirantes
en los tramos rectos son menos
profundos que en las márgenes
cóncavas.
d) Cauces Trenzados: no presentan
un solo cauce sino que se dividen
continuamente en varios cauces
se entrelazan y se vuelven a
separar. Los cauces son amplios
y las márgenes no están bien
definidas. Para caudales bajos
existen dos o más cauces
principales entrelazados y se
forman cauces secundarios. En
crecidas, el agua cubre todos los
cauces y grandes cantidades de
sedimentos son depositados
rellenando cauces antiguos.
OBRAS FLUVIALES
Figura 14: Cauce con Meandros.
Generalmente, estos cauces tienen
pendientes altas, el material es
grueso y llegan grandes cantidades
de
sedimentos.
La
principal
característica de estos cauces es que
están sujetos a un proceso de
sedimentación.
Figura 15: Cauce Trenzado.
En la naturaleza se distinguen dos morfologías fluviales típicas: el trenzado o
anastomosado y el meandriforme, ambos ya descriptos. Existen otras formas menos
frecuentes en los cauces y que se generan según las características de ciertos lugares
específicos. A continuación se mencionan algunas de las mas importantes.
e) Cauces con Islas: se forman islas en su interior, las cuales pueden desplazarse
hacia aguas abajo, o bien si permanece estable por varios años son cubiertas por
vegetación.
f) Cauces en Estuarios: se presentan en las desembocaduras de los ríos en los
océanos y están altamente influenciados por las mareas.
g) Cauces en Pantanos: normalmente son muy amplios por no existir pendiente o ser
muy pequeña, además presentan zonas muertas y saturadas por altos niveles
freáticos. Los tirantes son reducidos y se genera un ambiente favorable para el
crecimiento de la vegetación.
h) Deltas: son aquellos ríos que arrastran gran cantidad de sedimentos y desembocan
en lagos, embalses o en el mar con mareas reducidas. El material depositado, en
general sedimentos finos, inicialmente forma flechas paralelas a flujo, las cuales
posteriormente incrementan su ancho debido a la acción del oleaje y los materiales
que continúan depositándose. Al ocurrir grandes crecidas estas flechas se rompen
por donde sale parte del flujo y se repite nuevamente el proceso descripto. Este
18
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
proceso genera un abanico de sedimentación cuya forma se asemeja a la letra
griega ∆, de donde proviene su nombre. Las principales variables que intervienen
en su formación son la temperatura, carga de sedimento, salinidad y la pendiente
del río. Los deltas presentan siempre varios brazos.
i) Abanicos Aluviales (o conos de deyección): son depósitos de sedimento cuya
forma se asemeja a un segmento de sección cónica, que visto en planta se parece a
un abanico y tiene una pendiente así uniforme desde el ápice hasta el borde final
(ver figura 16). Se presentan normalmente en zonas áridas y montañosas con
pendientes fuertes. Ocurren en el punto donde la corriente pasa de un cauce
estrecho a otro muy amplio, o bien cuando la pendiente disminuye abruptamente.
Figura 16: Abanico Aluvial.
En el ápice del abanico, donde las velocidades decrecen repentinamente, la
corriente deposita grandes cantidades de material, parte del cual es arrastrado por
crecidas posteriores. El flujo en los canales aguas bajo del ápice escurre con tirantes
y velocidades mayores a la crítica.
3.1.9 Según las Condiciones del Transporte
Es normal considerar que los tramos de los ríos pueden estar sujetos a un proceso de
erosión, sedimentación o en equilibrio. Una clasificación importante relacionada a estos
aspectos es la propuesta por Schumm en 1963 la cual se muestra en la Tabla 4.
Tabla 4: Clasificación de cauces según Schumm.
Forma del Transporte de
Sedimento
M%
Estable
En suspensión del 85 al 100 %
100
En suspensión del 65 al 85 % y en
el fondo del 15 al 35 %
30
De fondo del 35 al 70 %
<5
F<7
P > 2.1
S baja
7 < F < 25
1.5 < P < 2.1
S moderada
F > 25
1 < P < 1.5
S alta
Estabilidad del Cauce
Depositación
Erosión
El principal depósito ocurre en las
Predomina la erosión del
márgenes que origina el estrechamiento
fondo. Poca ampliación de
del cauce. El depósito en el fondo es
márgenes.
menor.
Es importante la erosión del
Es importante el depósito en las
fondo y la ampliación de
márgenes y también en el fondo.
márgenes.
La erosión del fondo es baja,
Depósito en el fondo y formación de
y la ampliación del cauce es
islas.
muy importante.
Donde: F = B/h, B ancho de la superficie libre, h tirante; P índice de sinuosidad; S
pendiente longitudinal del fondo.
19
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
3.2 Características Físicas (o Geometría Hidráulica)
El problema de predecir o deducir la geometría de un río si se le permiten todos sus grados
de libertad ha preocupado a muchos investigadores de la geomorfología. Se cuenta con
observaciones relativamente sencillas de las características geométricas de los ríos que
sugieren relaciones empíricas entre ellas.
La morfología de los cauces cambia con el tiempo y es afectada principalmente por el
caudal, el material transportado, el diámetro representativo del material de fondo, la
pendiente del lecho, la relación entre el ancho de la superficie libre y el tirante, y la
configuración de curvas.
MORFOLOGIA = f (t , Q, Qs, D, S , B, H , etc.)
(15)
Es necesario notar que la mayoría de las veces, en los factores de la expresión 15, son mas
importantes sus interrelaciones que la influencia de cada uno por separado. Así por
ejemplo, la pendiente longitudinal, la carga de sedimento y la resistencia al movimiento de
as márgenes y del fondo, son interdependientes, pues están estrechamente ligadas entre si.
A continuación se muestran algunas de las relaciones más importantes entre estas
variables.
•
Pendientes, Bray en 1973 propuso:
S = 0.003634 M −0.38Qm−0.32
(16)
Donde: S es la pendiente longitudinal del cauce [m/m], Qm es el caudal medio anual
[m3/seg], M es por porcentaje de sedimentos transportados menor a 0.074 mm (apertura del
tamiz 200). Esta relación indica que al aumentar el caudal o al disminuir el tamaño del
material sólido, la pendiente disminuye.
•
Sección Transversal (el mismo autor en 1982):
Deducida para lechos de grava (con posibilidad de acorazamiento) para cauces
rectangulares muy anchos relaciones B/h > 50.
B = 4.75Q 0.527
(17)
h = 0.266Q
(18)
1
3
Siendo: B el ancho promedio de la sección [m], Q el caudal pico [m3/seg] para una crecida
de recurrencia de 2 años, h el tirante promedio de agua [m].
•
Transporte de sólidos, Schumm en 1960:
Relaciona la sección transversal con la cantidad de limos y arcillas
F=
B
= 255M −1.08
h
(19)
20
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
3.3 Caudal Formativo
Es el caudal que de escurrir en forma constante genera las mismas dimensiones promedio
de la sección transversal y la pendiente (definición dada por Inglis en 1947).
Existen varios criterios para obtener este caudal formativo. Entre los más importantes y
cuya utilización es recomendada están los siguientes:
i. Capacidad hidráulica del cauce principal. Es decir, el caudal máximo capaz de
escurrir por el cauce principal sin desbordar (Inglis). Esta definición se aplica a ríos
de planicie.
ii. Caudales asociados a ciertas frecuencias.
• Q de periodo de retorno de 1.4 años (Leopold y Maddock).
• Q que ocurre cada 170 días (Nixon).
• Q que ocurre el 3 % de los días del año.
iii. Cuando el método de cálculo tiene en cuenta el transporte de sedimentos el caudal
formativo se denomina caudal dominante Qd.
Qd
∫
=
t2
t1
Q (t ) ⋅ Qs(t ) ⋅ dt
∫
t2
t1
Qs(t ) ⋅ dt
(20)
Donde: Q(t) es la serie de caudal líquido, Qs(t) es la serie de caudales sólidos.
Ambas series de caudales deben estar en las mismas unidades y asociadas a un
mismo intervalo de tiempo dt.
El criterio de Shaffernak establece como Qd aquel que durante los días que se
presenta a lo largo de un año, transporta el mayor volumen de sedimentos.
Similarmente, el USBR considera sólo las partículas de arena (D > 0.062 mm) en el
transporte de fondo. El procedimiento tiene en cuenta las siguientes relaciones:
• Curvas de frecuencia de Q.
• Curva de Q vs. Qs.
• Curva de Q vs. volumen de sedimentos transportados.
3.4 Meandros
la evolución de los meandros puede clasificarse en dos categorías: a) la migración hacia
aguas abajo de todo el meandro y b) la expansión de la curvatura del meandro, su
estrangulamiento y finalmente el corte del mismo. El desarrollo de meandros incrementa la
longitud del río y por consiguiente disminuye la pendiente.
El meandro es el mecanismo natural por el cual un río ajusta su pendiente cuando la del
valle por donde fluye es mayor que la necesaria. La configuración y geometría de un cauce
con meandros está determinadas por la erosión y socavación de la margen externa o
cóncava y el depósito de sedimentos a lo largo de la margen interior o convexa. La figura
17 muestra los parámetros principales de un meandro.
21
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
Figura 17: Meandros.
Lane en 1957 analizó 144 ríos y estableció una relación entre el caudal medio, la pendiente
el material de fondo y de las márgenes y de la forma del río en planta. La ecuación que
propone para ríos con meandros y trenzados si el fondo es de arena, es la siguiente:
 K  −0.25
S =
Q
 2.44 
(21)
Donde: S pendiente [m/m], Q caudal medio anual [m3/seg] y K un coeficiente que tiene en
cuenta la forma del cauce en planta. Esta ecuación se representa gráficamente en la figura
18. Determinados los valores de Q y S se obtiene un punto en la gráfica. Si el punto queda
bajo la recta de K = 0.0017, el río es meandroso, si queda sobre la recta de K = 0.01 será
trenzado y si está entre las dos será intermedio. Cabe destacar que la relación 21 representa
un brazo de palanca en la balanza de Lane presentada en la figura 10 (sección 2.5).
Figura 18: Relación entre la pendiente y el caudal según la expresión de Lane.
Hay una gran cantidad de ríos que debido a su origen y a la resistencia del material donde
se alojan, el meandreo es prácticamente fijo, es decir, se trata de cauces con meandros en
trinchera.
22
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
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3.5 Flujo en Curvas
Entre el interior y exterior de una curva se desarrolla una sobreelevación del nivel de agua
por causa de la fuerza centrifuga. El valor de esta sobreelevación puede obtenerse con
bastante precisión mediante la siguiente ecuación:
∆z =
U2 ⋅B
g⋅r
(21)
Donde: ∆z sobreelevación [m], U
velocidad media de la corriente [m/seg],
B ancho del cauce [m], g aceleración de
la gravedad [m/seg2] y r radio de la curva.
Figura 19: Sobreelevación en curvas.
Esta fuerza centrifuga explica otro efecto importante. En una sección vertical A-A (figura
19) donde la distribución de velocidades es logarítmica, al girar sobre un mismo radio r, se
desarrolla mayor fuerza centrifuga en la superficie que en el fondo. Por causas de estas
fuerzas desiguales, existen componentes de velocidad en la transversal que generan una
circulación llamada “corriente secundaria”. Esta corriente en la transversal, sumada al
movimiento longitudinal producen un flujo helicoidal que forma o modela la sección en las
curvas. El lado exterior de la curva es mas profundo por efecto del descenso de este flujo
helicoidal, mientras que el interior forma una suave pendiente debido a la corriente
ascendente. Este proceso se esquematiza en la figura 20.
Figura 20: Corriente Secundaria – Flujo Helicoidal.
23
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
3.6 Ecosistema Fluvial
En la descripción de los ríos no puede faltar la consideración de su valor ecológico. Los
ríos, en estado natural, son ecosistemas complejos y singulares, que merecen una
protección y conservación. Se destacan tres aspectos fundamentales del medio fluvial:
1) El cauce de las aguas continuas o permanentes alberga flora y fauna acuática. Su valor
depende de su diversidad biológica y esta es función de la diversidad física. Así hay
diferentes hábitat para distintas especies cuando, por ejemplo, en unos lugares hay sol y
en otros sombra, en uno el fondo es de gravas y en otros de barro, se suceden los pozos
de aguas calmas y los rápidos, hay islas o barras o bolos emergidos e intersticios
sumergidos, hay zonas de mayor y menor velocidad, etc.
2) También se debe destacar la llanura de inundación (cuando existe), cuyo valor
ecológico para sustentar una comunidad biológica singular como zona humedad
depende de la frecuencia de la inundación y de su duración, del nivel freático y de la
diversidad física de la llanura: depresiones, meandros abandonados, crestas, suelos de
distinto tipo. La inundación que aporta agua, sedimento y nutrientes es importante para
la vida de la llanura.
3) Además, el bosque de ribera sino ha sido degradado por la agricultura o pastoreo
constituye un ecosistema de gran valor biológico. Aparte de la vegetación acuática,
sumergida o semisumergida, el bosque está constituido por un estrato arbóreo de
especies caducifolias como sauces, fresnos, álamos y olmos más o menos próximos al
agua según su necesidad hídrica, un estrato arbustivo en los claros o bordes del bosque
(por ejemplo zarzales) y un estrato herbáceo. El bosque de ribera controla la llegada de
energía al sistema acuático mediante la sombra y los detritos vegetales. Actúa a modo
de filtro, pues retiene las partículas en suspención de las aguas de escorrentía y capta
nutrientes de las aguas subterráneas que afluyen al río. También cumple una función de
estabilización de las orillas mediante las raíces. Es muy dinámico pues puede resultar
destruido por una avenida pero rehacerse rápidamente. El bosque puede albergar gran
riqueza ornitológica, también en combinación con humedales.
24
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
4. OBRAS FLUVIALES
En el presente apartado se abordarán los conceptos principales que permitan comprender el
funcionamiento de las obras fluviales más comunes, con las que seguramente se enfrentará
un ingeniero durante su vida profesional.
Es importante destacar que existen extensas bibliografías que analizan en detalle cada uno
de los temas que serán desarrollados en adelante. El objetivo es dar los lineamientos
generales y conceptos amplios que proporcionen el conocimiento para proyectar obras de
ingeniería fluvial. De manera que un estudio detallado de cualquier tipo de estas obras
demandará una profundización en el tema específico que debe ser analizado.
4.1. Efectos del Transporte de Sedimentos
Como consecuencia del flujo bifásico, y en función de los temas revisados en los apartados
anteriores, es posible asegurar que un tramo de cauce de un río cualquiera estará sometido
a fenómenos de erosión o sedimentación, y en el mejor de los casos, en equilibrio.
Si bien estos términos han sido aplicados en las secciones anteriores, es necesario
definirlos adecuadamente:
•
Erosión (o degradación): descenso del nivel del lecho y/o por lo menos una de las
márgenes se desplaza alejándose del eje de escurrimiento.
•
Depositación (o sedimentación): ascenso del nivel del lecho o al menos una de las
márgenes converge al eje de escurrimiento.
•
Equilibrio (o estabilidad): puede ser estático, cuando el escurrimiento es incapaz de
transportar material del lecho o de las márgenes; o dinámico,
cuando la sección transversal permanece aproximadamente
constante para diferentes periodos de tiempo.
Todas estas definiciones dependen de cual sea el periodo de tiempo (∆t) de análisis, ya que
observando un lecho antes y después de una crecida es posible que la sección no haya
variado notablemente; mientras que para un ∆t menor, es decir, durante la crecida el lecho
sufre importantes variaciones (dependiendo de las variables analizadas Q, Qs, D, S, etc.).
Estos procesos pueden ocurrir de manera individual o conjuntamente en un tramo de un
cauce. Por ejemplo, en una curva se tiene un proceso de erosión en la margen externa;
mientras que la interna se encuentra sometida a sedimentación. Además, estos fenómenos
pueden resultar influenciados por causas antrópicas, ya sean acelerándose o retardándose.
A su vez, dichas alteraciones pueden ubicarse localmente o afectar a gran parte de un río.
Particularmente nos interesan las influencias derivadas de la construcción de obras de
ingeniería. Para el proyecto de obras sobre ríos, por ejemplo puentes, obras de captación,
estaciones de bombeo, cruce de conducciones, estabilización de márgenes, etc., el
ingeniero debe tomar conciencia que está interfiriendo con el desarrollo de un proceso
natural. Por este motivo, el ingeniero fluvial o civil abocado al proyecto y diseño de estas
obras, necesita conocer y establecer o estimar cuantitativamente esta interferencia y sus
posibles consecuencias.
25
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
Particularmente, nos ocuparemos de los procesos erosivos y principalmente de aquellos
que afectan a las obras de ingeniería.
4.2 Tipos de Erosión
A) Erosión General
Se denomina erosión general, al descenso general del lecho debido a un aumento de la
capacidad de transporte de una corriente en crecidas. Afecta a tramos largos del cauce y
seria la única erosión en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad (a diferencia
de erosión local). Este fenómeno es todavía poco conocido. Puede analizarse como el
transporte diferencial de sedimentos entre dos secciones para igual caudal líquido como
muestra la figura 21.
Figura 21: Erosión General (Qs2 > Qs1).
La magnitud de la erosión general se puede calcular, por ejemplo, a partir del criterio de
inicio de movimiento ante una corriente permanente. Una vez establecida la posición de la
superficie libre (para cierto caudal), el cálculo se realiza manteniendo fijo el nivel del agua
y se desciende el nivel del lecho, aumentando de esta manera el área y disminuyendo la
velocidad, hasta que la velocidad sea incapaz de mover las partículas.
Existe una gran variedad de ecuaciones empíricas para estimar la erosión general que se
deducen a partir de distintas hipótesis. Una de las mas conocidas es la de Blench, la cual
parte de la teoría del régimen. El autor plantea que durante la crecida se alcanza el tirante
dado por las ecuaciones régimen.
Para arenas de 0.06 < d50 (mm ) < 2
 q 23
y m = 1.20 1
6
 d 50




(22)
Para gravas con d50 (mm ) > 2
 q 23 
y m = 1.23 1 
(23)
12
d
 50 
Donde: ym tirante de erosión medio [m] (desde la superficie libre hasta el fondo del lecho
erosionado), q caudal por unidad de ancho [m3/seg m], el diámetro medio d50 [mm].
26
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
B) Erosión por Estrechamiento
Este tipo de erosión en las aproximaciones a distintas obras, como por ejemplo a puentes,
encauzamientos, etc. Al reducirse el ancho de la sección, la corriente aumenta su velocidad
y por ende aumenta el transporte de sedimentos, el tirante aumenta y puede variar la
pendiente del fondo a partir de la contracción. Este proceso se detiene cuando alcanza la
situación de equilibrio para todo el tramo τ o ≈ τ c y el Qs1 ≈ Qs2.
Figura 22: Erosión por Estrechamiento.
El grado de estrechamiento es considerado por la relación de contracción β:
β =
B1
B2
(24)
Para estimar el valor de esta erosión, existe una infinidad de trabajos entre los que se
destacan el de Laursen (1958 a 1963), Komura (1966), Gill (1981) y Parker (1981). En
general, estos autores desarrollan distintas ecuaciones según se trate de agua limpia (clear
water) o lecho vivo (live bed). Como veremos mas adelante, el agua limpia tiene mayor
potencial de erosión debido a que el sedimento arrastrado no es repuesto por la corriente.
Si bien el trabajo de Laursen es uno de los más antiguos, analiza distintas situaciones de
contracción del cauce principal y llanuras de inundación, por lo que se torna uno de los
más completos. Para lecho vivo, contracción tanto del canal principal como de la llanura de
inundación, y diferentes coeficientes de rugosidad aguas arriba y abajo, Laursen propone:
6
h2  Q2  7 k 1  n2 
 β  
=
h1  Q1m 
 n1 
k2
(25)
Para lecho vivo y contracción únicamente de la llanura de inundación (B1 = B2):
h2  Q2
=
h1  Q1m



6
7
(26)
27
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Para lecho vivo y contracción únicamente del canal principal:
h2
= β k1
h1
(27)
En la situación de agua clara (condición de equilibrio estático), Laursen llega a establecer
analíticamente:
6 
h2
V12
= β 7
 36h 13 D 2 3
h1
1
50





3
7
(28)
donde las variables de las ecuaciones 24 a 28 significan: B1, B2, h1 y h2 anchos y tirantes en
el canal principal [m], Q2 caudal [m3/seg], en la sección contraida (Q2 equivale al caudal de
diseño completo), Q1m caudal [m3/seg] en el canal principal aguas arriba, n1 y n2
coeficientes de rugosidad de Manning (para el equivalente perímetro mojado), k1 y k2
coeficientes que dependen de la relación entre las velocidades de corte (u*) y de caída (ω)
dada en la tabla 5, V1 es la velocidad media [m/seg] en el canal aguas arriba, y D50 es el
diámetro medio [mm].
Tabla 5: valores de los coeficientes k1 y k2.
u*/ω
< 0.50
0.50 a 2.0
> 2.0
k1
0.59
0.64
0.69
k2
0.066
0.21
0.37
Modo de Transporte del Material
Material en contacto con el fondo en su mayoría (rodamiento, deslizamiento).
Algo de material suspendido (salatación).
Material suspendido en su gran mayoría.
Para la contracción debida a puentes, la Circular HEC-18 “Evaluating Scour at Bridges”
(Hydraulic Engineering Center Nº 18 – US Department of Transportation), Richardson et
al (1995), basados en la ecuación de Laursen, para lecho vivo recomiendan la siguiente
modificación de la ecuación 25:
h2  Q2 

=
h1  Q1m 
6
7
 B1 
 
 B2 
k1
(29)
Esta misma circular recomienda la siguiente expresión para la condición de agua limpia:
 Q 
h2 = 1.48 1 2 
 d 3B 
 m 2
6
7
(30)
Donde Q2 es el caudal total en la sección del puente [m3/seg], dm es el diámetro medio
equivalente [mm] establecido como dm = 1.25D50.
Por otro lado, Neill en 1973 propone un proceso iterativo similar al planteado para la
estimación de la erosión general. Establecido el emplazamiento del puente, se determinan
las características de la corriente aguas arriba y en la sección del puente suponiendo que no
existe erosión. Luego se comienza a descender el fondo en la sección del puente hasta
igualar que la velocidad sea igual o menor a la crítica.
28
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
C) Erosión en Curvas
Según el proceso descripto en la sección 3.5 el lado externo de la curva presenta
profundidades mayores. Richardson en 1975 clasificó las curvas de los ríos según la
relación entre el radio de curva r al centro del cauce y el ancho de la superficie libre B, en
los siguientes tres tipos:
Tipo de curva
Limitadas
Libres
Forzadas
r/B
7.0 – 8.0
4.5 – 5.0
2.5 – 3.5
En las curvas de tipo libre y limitado, el tirante crece gradualmente desde la transición
aguas arriba de la curva, alcanzando un máximo casi en el final de la curva. En curvas
forzadas, el tirante crece rápidamente al comienzo de la curvatura hasta un máximo en el
sector central de la misma y luego decrece gradualmente hacia aguas abajo.
El tirante máximo en una curva puede estimarse con el criterio de Altunin, cuya expresión
es la siguiente:
hmax = ε ⋅ hmed
(31)
Donde: hmax profundidad máxima de la curva [m], hmed tirante medio en el tramo recto
ubicado aguas arriba [m], y ε coeficiente que depende de la relación r/B dados en la tabla
6.
Tabla 6: valores de ε en función de la relación r/B.
r/B
ε
∞
1.27
20
1.33
10
1.40
6
1.48
5
1.84
4
2.20
3
2.57
2
3.00
D) Erosión Local
La erosión local se explica por la acción de un flujo complejo que requiere consideraciones
bi o tridimensionales de las velocidades. Se presenta asociada a singularidades u
obstáculos y no afecta a las condiciones generales del flujo. Posee fuerte turbulencia y
puede desarrollar grandes vórtices.
En las erosiones locales, el flujo bifásico resulta acelerado o retardado en forma brusca por
causas de las fluctuaciones de presión, de las fuerzas de alzamiento y de las variaciones en
los esfuerzos de corte. Las erosiones locales resultan función de:
-
las características del escurrimiento;
del material que conforma el lecho;
material transportado;
hidrograma de crecida y eventos anteriores;
29
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
-
OBRAS FLUVIALES
dirección del flujo;
acumulación de basura;
acumulación de hielo;
características de la obra de ingeniería.
Algunas de las erosiones locales más frecuentes se enuncian a continuación:
iiiiiiivvvi-
en estribos de puentes
en espigones
en pilas de puentes
aguas abajo de una presa
a la salida de obras de descarga
erosión debajo de conducciones
El presente trabajo será enfocado al análisis conceptual de los fenómenos de erosión local
con el objeto de mostrar los mecanismos de socavación que el ingeniero deberá tener
presente en el diseño de una obra. Se darán a continuación los procesos de erosión local en
pilas y estribos de puentes.
•
Erosión Local en Pilas de Puentes
Físicamente, el fenómeno consiste en que alrededor de la pila se dan velocidades
localmente mayores que las medias de la corriente. Estas altas velocidades son producto
del sistema de vórtices que se originan por la presencia de la pila y son los responsables de
la socavación.
Existen dos modalidades distintas de erosión local: 1) la corriente no es capaz de poner en
movimiento el material del lecho del río, pero los vórtices pueden llevar a cabo la
socavación (agua limpia). La erosión local comienza con una velocidad de
aproximadamente la mitad de la velocidad umbral para el lecho en general. 2)
normalmente en las crecidas de un río existe un transporte general de sedimentos en el
lecho al mismo tiempo que la erosión local (lecho vivo).
La naturaleza del equilibrio del foso es distinta en uno y otro caso; cuando se tiene una
corriente de agua limpia (clear water) el equilibrio se manifiesta cuando τ o = τ c y no se
erosiona mas el foso. En cambio cuando existe transporte de sedimentos en la corriente, es
decir lecho vivo (live bed), el equilibrio se alcanza cuando el flujo de sedimento entrante es
igual al saliente.
Curiosamente el equilibrio en el foso, para condiciones permanentes en el tiempo, es
aproximadamente igual en ambos casos (ver figura 23 a). Por otra parte, la profundidad
máxima del foso parece formarse si la corriente es tal que el fondo se encuentra en el límite
entre el estado de reposo (aguas claras) y el de movimiento general del lecho (lecho vivo),
es decir, en las condiciones de inicio del movimiento (ver figura 23 b).
Este proceso, si bien ha sido analizado para erosiones locales en pilas de puentes en
laboratorios, puede ser observado en otros fenómenos de socavaciones locales.
30
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
AGUA LIMPIA
LECHO VIVO
a)
b)
Figura 23: Profundidad de la erosión local.
Los elementos que aparecen en la erosión local en pilas (ver figura 24) son los siguientes:
a)
b)
c)
d)
Flujo descendente aguas arriba (downflow);
Generan la erosión al pie.
Vórtice en herradura (horseshoe);
Vórtice en estela aguas abajo (wake);
arrastra el sedimento erosionado.
Sobreelevación de la superficie del agua con pequeños remolinos (roller).
Figura 24: Patrones de flujo y erosión en una pila circular.
La profundidad de erosión local hs es función de los siguientes parámetros:
hs = F [ fluido(ρ ,ν , g ); lecho(D, ρ s ); flujo(h, U ); pila (b)]
(32)
Donde: b es el ancho de la pila proyectado en la dirección del flujo; las restantes variables
han sido presentadas anteriormente. Con estas 8 variables y 3 dimensiones, es posible
establecer 5 relaciones adimensionales. En Breusers y Raudkivi (1991) se desarrollan estas
31
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
relaciones y se estudian los efectos de cada una de ellas. A manera de resumen, se
presentan estos efectos a continuación:
12345-
no uniformidad del sedimento, σg;
relación tamaño de la pila vs. sedimento, b/D50;
relación tirante aguas arriba vs. tamaño de la pila, h/b;
alineación de la pila, b ancho efectivo, proyectado en la dirección del flujo;
forma de la pila (rectangular, circular, ovalada, etc.).
Unos de los trabajos más recientes en erosión de puentes, Melville et al (2000), agregan
algunos efectos a los anteriores, de los cuales los más importantes son:
6- intensidad del flujo, U/Uc (velocidad media del flujo / velocidad umbral);
7- forma de la fundación de la pila;
8- geometría irregular del canal natural de aproximación al puente;
9- efecto del tiempo;
10- efecto del Número de Froude.
En los trabajos citados se desarrollan ampliamente los parámetros a tener en cuenta para
cuantificar estos efectos en la profundidad de erosión. En el presente apunte sólo se
propondrán algunas de las numerosas ecuaciones empíricas establecidas para la estimación
de la erosión local en pilas.
Richardson en 1995 propone:
hs = 2 ⋅ K ⋅ b 0.65 ⋅ h1
0.35
⋅ Fr1
0.43
(33)
Donde: hs profundidad de erosión local en la pila [m], K coeficiente que tiene en cuenta la
forma de la pila según la tabla 7, b ancho efectivo de la pila [m], h1 y Fr1 son el tirante y el
número de Froude aguas arriba del puente.
Tabla 7: Factor de forma para pilas uniformes
Forma
Circular
Nariz redondeada
Nariz cuadrada
Nariz triangular
K
1.0
1.0
1.1
0.9
Laursen en 1958 plantea:
h
b
= 5.5 s
h1
h1
1.7
 h


s
+ 1 − 1

 11.5 ⋅ h1


(34)
Donde las variables responden a las nomenclaturas y unidades descriptas anteriormente.
32
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
•
OBRAS FLUVIALES
Erosión Local en Estribos de Puentes
Tienen un proceso similar al de erosión en pilas. Algunos autores han testeado esta
analogía comparando profundidades de erosión en pilas circulares y estribos con bordes
semicirculares del mismo diámetro arribando a resultados del mismo orden de magnitud
para pilas y estribos.
Lo que sí cambia el patrón de erosión es la longitud del estribo y su correspondiente
obstrucción al flujo. Para estribos cortos el proceso puede observarse con claridad en la
figura 25 donde se advierte la analogía entre en vórtice principal y el vórtice en herradura
mostrado en la figura 24 de la erosión en pilas.
Figura 25: Patrones de flujo y erosión en un estribo corto.
En estribos largos (ver figura 26), la estructura del flujo y la geometría del foso de erosión
son similares a la de estribos cortos, excepto la componente del flujo descendente es menos
significante y se generan fuertes recirculaciones o remolinos adelante del estribo y cerca de
la pared o borde del canal. Debido a la profundidad del flujo en el foso de erosión existe un
flujo bidimensional aguas abajo. La actividad erosiva es mayor cerca del borde del estribo
donde el vórtice principal es mas concentrado.
Figura 26: Patrones de flujo y erosión en un estribo largo.
Para la estimación de la profundidad de erosión local en estribos Melville et al (2000), al
igual que la erosión local en pilas, plantean la necesidad de analizar relaciones entre
33
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
distintos parámetros y sus correspondientes efectos. Aquí se darán únicamente algunas de
las ecuaciones empíricas más utilizadas.
Laursen
h
L
= 2.75 s
h1
h1
1.7
 h


s
+ 1 − 1

 11.5 ⋅ h1


(35)
Donde: L es la longitud del estribo [m] que efectivamente obstruye a la corriente (medida
en la dirección perpendicular al flujo), las restantes variables responden a la nomenclatura
y unidades descriptas anteriormente.
Método de Artamanov
hs
= Kα ⋅ K k ⋅ K q
h1
(36)
Donde: Kα coeficiente que depende del ángulo α que forma el eje del estribo con la
corriente y responde a la expresión 37; Kk coeficiente que depende del talud del estribo y
responde a la expresión 38; Kq coeficiente en función de la relación de caudal interceptado
por el estribo y el caudal total de diseño; responde a la ecuación 39.
Kα = 0.782 ⋅ e 0.0028⋅α
(37)
K k = 1.028 ⋅ e −0.24⋅k
(38)
 Qi 
K q = 4.429 + 1.063 ⋅ Ln 
(39)
Q
Donde: α ángulo entre estribo y corriente [radianes]; k talud del estribo (k:1;
horizontal:vertical); Qi caudal [m3/seg] que intercepta el estribo (i depende de la margen
analizada); Q caudal total de diseño [m3/seg].
•
Limitaciones de los Métodos de Estimación de la Erosión Local
Los procedimientos descriptos están basados en datos de laboratorio derivados de modelos
idealizados de puentes. Las limitaciones se deben a:
iiiiiiiv-
fundaciones rígidas e ideales de los modelos a escala;
canales de laboratorio rectangulares y rectos;
flujo uniforme y permanente;
materiales de fondo a menudo uniformes, homogéneos y no cohesivos.
En la naturaleza, donde las condiciones son sustancialmente diferentes a las de laboratorio,
la aplicación de estas ecuaciones debe ser realizada con sumo cuidado. En general, las
ecuaciones presentadas dan una estimación conservadora de las profundidades de erosión
local en todos los casos.
34
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
4.3 Sugerencias Generales para Diseño de Obras Fluviales
A continuación se presentan algunas recomendaciones generales de diferentes obras
fluviales con el objeto de brindar al profesional los conceptos primordiales para el
proyecto. La colmatación de embalses es desarrollada en Weber (2000).
4.3.1 Encauzamientos
El cauce es el espacio ocupado por el río, en sentido natural, o bien el espacio destinado al
río tras una intervención del hombre. Un encauzamiento, es cualquier arreglo o
intervención que toma un tramo de río o de cauce como su objeto de actuación primordial.
Es necesario describir cuales son los fines u objetivos de la actuación en el río. Estos
objetivos son múltiples y pueden estar presentes en distinto grados y combinaciones.
Los posibles objetivos de un encauzamiento son:
iiiiiiivvvi-
Protección frente a inundaciones (impedir daños);
Protección de las márgenes del río (impedir la destrucción del terreno);
Fijación de un cauce para el río (asegurar el lugar futuro para dicho cauce);
Mejorar las condiciones de desagüe (reducción del coeficiente de fricción);
Formar un canal navegable (garantizar una profundidad de agua suficiente);
Recuperar la naturaleza (conseguir espacios de valor natural o recreativo);
Los efectos ocasionados para cumplir estos objetivos deben ser analizados correctamente,
comprendiendo fundamentalmente que los ríos son sistemas dinámicos, es decir, que
sufren cambios o modificaciones generalmente a mediano y largo plazo como
consecuencia de acciones externas. Los cambios son posibles debido a que los contornos
aluviales son móviles tanto en sentido vertical (variación del fondo) como horizontal
(modificación de la planta). Cuando el río no circula en equilibrio existen sedimentaciones
o erosiones que producen cambios en el contorno.
Par un encauzamiento es esencial conocer en detalle el régimen hidrológico de la cuenca
de aporte. Esto permitirá fijar los condicionantes para aguas bajas, altas y crecidas. Las
aguas bajas son persistentes y van produciendo la incisión en el cauce, aumentando la
sinuosidad y disminuyendo la pendiente que le corresponde. Para aguas altas y crecidas, el
río no respeta la sinuosidad y la pendiente condicionante es la del valle aluvial.
La sinuosidad es un aspecto fundamental para un encauzamiento estable y para esto es
imprescindible observar el estado natural del río la cual mostrará las características
esenciales para un trazado del cauce principal o de aguas bajas. El trazado en planta del
cauce de aguas altas y crecidas (caudales de baja frecuencia anual y extraordinarios,
respectivamente) será menos sinuoso a medida que aumenta el caudal. Las diferencias de
sinuosidades pueden observarse esquemáticamente en la figura 27 donde se muestra u
encauzamiento compuesto por tres cauces (aguas bajas, altas y crecidas).
Los elementos principales para realizar encauzamientos lo constituyen los albardones o
diques laterales y los espigones. La figura 28 muestra las distintas combinaciones de estos
elementos.
35
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
Figura 27: Planta y secciones esquemáticas de un encauzamiento.
Figura 28: Encauzamiento con combinaciones de diques laterales y espigones.
Los materiales mas comúnmente utilizados para encauzamientos en nuestro medio son los
gaviones. También pueden emplearse mantos de escollera, rip-rap, mantas con losetas de
hormigón adheridas, etc. en algunos lugares han sido empleados con éxito, sobre toda para
la protección de márgenes, la plantación artificial de ciertas especies arbóreas.
Como conclusiones de las obras de encauzamientos es posible decir:
- En el proyecto de un encauzamiento es absolutamente imprescindible conocer el río,
particularmente su geometría hidráulica, su estado de equilibrio o desequilibrio, su
régimen hidrológico y de avenidas, así como su transporte sólido. La geometría e
Hidrología deben estar presentes en la concepción del trazado y de las secciones,
ancho, radios de curvatura, pendiente, etc. El transporte sólido y el estado de equilibrio
nos informan de la estabilidad del encauzamiento.
- Se debe recordar siempre que mediante un encauzamiento tan solo se crea una vía de
circulación del agua a conveniencia del hombre, por ser más estable, más regular o
tener más capacidad. El riesgo hidrológico subsiste por igual. Con frecuencia se
desarrolla un efecto psicológico de seguridad por el solo hecho de haber intervenido en
el río, lo cual trae aparejado un crecimiento de los daños en caso de inundación.
- Los ríos son sistemas dinámicos que acomodarán su geometría a las condiciones
nuevas impuestas por el hombre mediante un encauzamiento. Se deben estudiar los
efectos de las intervenciones para rectificar el proyecto, o al menos para estar
preparados para las consecuencias.
- Una obra de encauzamiento parcial puede generar más inestabilidad que la protección
pretendida. El problema se agrava cuanto más aumenta la velocidad media en el tramo
encauzado respecto a la que prevalece fuera del encauzamiento. Las transiciones de
comienzo y fin de un encauzamiento deben ser suaves y graduales; las obras
longitudinales deben implantarse en el terreno y ofrecer contornos suaves. Pretender un
objetivo en una margen traerá frecuentemente el perjuicio en la otra.
36
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
4.3.2 Corte de Meandros
Como un caso particular de los encauzamientos se presenta las pautas principales a
respetar en el corte artificial de un meandro.
En la evolución de un meandro, las curvas aumentan su longitud, pero debido a la erosión
de las márgenes exteriores de las curvas se produce un acercamiento entre las márgenes
cóncavas hasta que ocurre un estrangulamiento y se corta (ver figura 29).
Generalmente, esto sucede durante una gran crecida cuando se excede la capacidad del
cauce y el agua pasa sobre la parte mas estrecha erosionando las márgenes y produciendo
así un canal mas corto denominado corte o rectificación. Eventualmente este nuevo cauce,
amplio y profundo, aísla al antiguo meandro abandonándolo como un lago en forma de
cuerno o herradura.
Figura 29: Corte de un meandro.
En ocasiones se requiere controlar el corte de un meandro, ya sea para evitar una ruptura
violenta que altere el régimen del río, o bien por razones de seguridad ante daños que
pueda producir el corte repentino, o sólo para acortar una vía de navegación.
Dicho control puede requerir desde la construcción completa del corte necesaria para la
rectificación, hasta solamente la excavación de un canal o cauce piloto, que posteriormente
el propio río agrandará hasta alcanzar su equilibrio y conducirá el escurrimiento completo.
Evidentemente, existe el caso intermedio de encauzamientos por donde se desvían las
aguas altas y crecidas, y se mantienen en forma permanente el escurrimiento de las aguas
bajas.
Para el diseño de los cortes artificiales se deben tener en cuenta las siguientes
consideraciones:
a) La alineación de los dos extremos del corte debe ser tangencial a la dirección del flujo
principal para cada caudal de diseño;
37
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
b) La entrada y salida del corte debe tener una transición gradual;
c) En lo posible la excavación debe realizarse en material aluvial del propio cauce;
d) Se debe cuidar que la energía de salida sea al menos igual a la de la corriente principal
en ese sitio.
e) El fondo del cauce piloto a la entrada y a la salida del mismo debe coincidir con la
elevación del fondo en dichos lugares.
El ancho del corte resultará del mayor valor según los siguientes criterios: 1) el ancho debe
ser como mínimo igual a dos veces la altura del corte, para evitar posibles deslizamientos
de las nuevas márgenes; 2) la nueva geometría debe garantizar que el esfuerzo cortante del
fondo τ o = γ ⋅ R ⋅ S sea mayor que tres veces el esfuerzo cortante crítico para iniciar el
movimiento de las partículas.
Lo descripto anteriormente garantiza que la dimensión del cauce piloto sea la sección más
económica que asegure la ampliación y el buen desarrollo del corte por el propio río
(García Sánchez, 1995). El cálculo Hidráulico debe hacerse atendiendo a la compatibilidad
de perfiles y gradientes de energía aguas arriba y aguas abajo del corte. Este cálculo se
deberá realizar para diferentes caudales relacionados a evaluaciones de daños y costos,
eligiéndose el valor que resulte óptimo.
4.3.3 Puentes
Se definen como lugar de cruce entre las distintas infraestructuras de comunicación y los
ríos. Los puentes son obras singulares, costosas y vitales para mantener el transporte, del
cual depende la economía de algunos sectores o regiones.
En una estadística realizada en 1976, sobre las causas de fallo o rotura de 143 puentes en
todo el mundo, resultó 1 fallo debido a corrosión, 4 a la fatiga, 4 al viento, 5 a un diseño
estructural inadecuado, 11 a terremotos, 12 a un procedimiento inadecuado de
construcción, 14 fallos fueron por sobrecarga impacto de embarcaciones, 22 por materiales
defectuosos y finalmente 70 fallos fueron causados por crecidas (de los cuales 66 fueron
debidos a la socavación, 46% del total). Esto muestra que los aspectos hidráulicos son
fundamentales en los puentes; un buen conocimiento de estos aspectos hará el puente mas
seguro y barato.
Lo que se ha avanzado en el conocimiento de las estructuras, las cargas, los materiales y
los procedimientos constructivos es mucho más que lo conocido sobre las acciones del
agua y el sedimento. Pero no sólo la acción del agua y el sedimento es objeto de la
hidráulica de puentes, sino también cuestiones de la concepción del puente y de la misma
vía, como son las dimensiones del vano y el emplazamiento del puente. El mejor
emplazamiento de un puente tiene respuesta en los diferentes puntos analizados a lo largo
del presente trabajo:
-
es esencial que en el lugar de emplazamiento, el río posea estabilidad fluvial;
un lugar inestable puede obligar a obras de encauzamiento importantes;
se deben elegir los tamos rectos, y en lo posible estrechos para abaratar la obra;
38
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
-
OBRAS FLUVIALES
es preferible un cauce principal que tenga gran capacidad que uno fácilmente
desbordable;
conocer el río hidrológica e hidráulicamente y sobre todo morfológicamente (análisis
en distintas escalas espaciales y temporales);
En cuanto a la alineación del puente, antiguamente, se trataba de hacerlos a
perpendiculares al río. En la actualidad, se atiende al diseño geométrico de la vía y el
puente puede estar oblicuo a la corriente (y hasta en curva); pero las pilas, estribos y todo
elemento mojado del puente deben estar correctamente alineados con el flujo.
El dimensionamiento de la altura y el ancho libre del puente debe tener en cuenta:
- las características de la cuenca, principalmente en relación a los objetos posible de
arrastrar (arboles, hielo, etc.)
- análisis económicos: relaciones entre longitudes de terraplén (obra barata) versus
longitudes de tablero (obra costosa), considerando también las relaciones
estrechamiento del cauce versus elevación del tirante;
- estimar mediante un estudio hidrológico los periodos de retorno, los cuales serán
asociados a la importancia de la vía (es comúnmente usado un Tr = 25 a 50 años vías
poco importantes, 100 años vías de importancia media y 100 a 200 años vías de gran
importancia); o bien, si se cuenta con los datos suficientes, asociarlos con relaciones
entre costos y daños o perjuicios versus periodo de retorno.
Es importante contar con datos relevados in-situ (niveles de resaca) o informaciones de los
lugareños, tales como cantidad de veces que escurre por las llanuras de inundación, o la
máxima cota histórica del río, etc.
Se deberán realizar relevamientos de los sedimentos (D50, σg a distintas profundidades) que
componen el cauce y las llanuras de inundación, tipo de vegetación que cubre esta última,
y todo tipo de antecedente relacionado (topográfico, geotécnico, etc.). En cuanto al
relevamiento topográfico es de vital importancia para el cálculo hidráulico del río, pero
pasa a ser menos relevante al considerar la movilidad del fondo, y por lo tanto pasar a ser
trascendental para el estudio la experiencia del profesional encargado.
La estimación de la erosión total en puentes se resume en el siguiente diagrama:
EROSIÓN TOTAL EN PUENTES
EROSIÓN GENERAL DEL LECHO
EROSIÓN LOCALIZADA
EROSIÓN POR CONTRACCIÓN
EROSIÓN LOCAL
EROSIÓN POR ESTRIBO
EROSIÓN POR PILA
En general, para la estimación de los diferentes parámetros desarrollados a lo largo de este
apunte han sido elaborados distintos modelos computacionales. Algunos de estos modelos
han alcanzado un cierto grado de avance, en cuanto a la cantidad de variables operadas,
39
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
pero ninguno analiza la totalidad de elementos involucrados, obviamente debido a la
complejidad de estos sistemas.
Uno de los modelos disponibles para la estimación de erosiones en puentes es el
denominado HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis Systems)
desarrollado por el US Army Corps of Engineers. Este modelo permite evaluar todas las
erosiones descriptas anteriormente, excepto la erosión general del lecho. Para el cálculo de
ésta, puede emplearse el modelo HEC-6 “Scour and Deposition in Rivers and Reservoirs”.
Bridge Scour RS = 10.36
Legend
WS PF#1
20
Ground
Ineff
Bank Sta
Contr Scour
15
Total Scour
Elevation (ft)
10
5
0
-5
-10
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Station (ft)
Figura 30: Ejemplo de cálculo de erosión local en puentes mediante HEC-RAS.
40
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
OBRAS FLUVIALES
REFERENCIAS
-
Breusers H. and Raudkivi A. (1991) “Scouring”. IAHR.
Hydraulic Engineering Circular Nº 18 (HEC-18, 1993) “Evaluating Scour at Bridges”
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Farraday R. And Charlton F. (1983) “Hydraulic Factors in Bridge Design”. Hydraulic
Research. Wallingford.
García Flores M. y Maza Alvarez J. A. (1995) Cap. 7 del Manual de Ingeniería de Ríos
“Origen y Propiedad de los Sedimentos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
García Sánchez J. y Maza Alvarez J. A. (1995) Cap. 11 del Manual de Ingeniería de
Ríos “Morfología de Ríos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
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Ríos “Estabilidad de Cauces”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
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Ríos “Transporte de Sedimentos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.
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Témez J. R. (1988) “Control de la Erosión Fluvial en Puentes” Ministerio de obras
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Vanoni V. (1977) “Sedimentation Engineering” ASCE.
Mijares F. J. (1989) “Fundamentos de Hidrología de Superficie” Ed. Limusa. México.
HEC-6, Hydrologic Engineering Center (1993) “Scour and Deposition in Rivers and
Reservoirs”. US Army Corps of Engineers.
HEC-RAS, Hydrologic Engineering Center – River Analysis Systems (1998) versión
2.2. US Army Corps of Engineers.
García M. (1999) Cap. 6 en Hydraulic Design Handbook “Sedimentation and Erosión
Hydraulic” University of Illinois.
41