ARRASTRE DE SEDIMENTOSHidrulica Aplicada

Escuela de Ingeniera en Construccin. Curso: Hidrulica. Docente: Juan Alberto Gonzlez. Autores: Entrega: 09 Diciembre 2011

NDICE Prembulo Generalidades Formas de Transporte

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Clasificacin del Transporte

Propiedades de los Sedimentos Medidas de Concentracin Problemas de los Sedimentos Conclusiones

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PREMBULOLa Ingeniera como concepto y palabra es tan antigua como la propia existencia del hombre en la Tierra. Desde los inicios el humano debi enfrentarse a muchos acontecimientos y cambios naturales, lo que lo condujo a generar ideas y a razonar para poder enfrentar los diversos problemas de la manera ms ptima y adecuada. A este razonamiento lo reconocemos como ingenio. La gracia de la ingeniera como reflejo del ingenio, recae en la capacidad de poder aplicar los conocimientos cientficos a hechos concretos, como el perfeccionamiento, la invencin o la utilizacin de la tcnica industrial en todas sus dimensiones. De lo anterior podemos concluir que el hombre ha posedo la mejor herramienta para alcanzar la solucin a los problemas, el ingenio, aplicable frente a diversas circunstancias, como los problemas que la naturaleza nos entrega, sobre todo los problemas que el agua y sus derivados pueden detonar. Es por esto que existe una rama de la ingeniera que se concentra netamente en estudiar las propiedades mecnicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y empuje de la misma. La descripcin anterior, es conceptualizada con el nombre de Hidrulica, dentro de la que se tendrn muchos estudios, uno de ellos es el estudio del flujo de agua en un canal con lecho mvil, lo cual representar un problema de interfaz. Por una parte, el flujo se ajusta al contorno mvil, mientras que por otro parte, el material granular del contorno sobre el cual escurre el agua, se deforma y cambia sus fronteras. De esta forma, se genera un proceso de retroalimentacin en el flujo y el contorno, los que se adaptan continuamente a los cambios inducidos entre ellos. La interaccin directa entre el fluido y las partculas slidas es compleja e involucra aspectos de la mecnica de fluidos que aun no son bien comprendidos. En particular, la estructura de la turbulencia del flujo, la cual juega un papel preponderante en cualquier proceso de transporte que ocurra en ambientes acuticos, influencia el intercambio del material granular entre el flujo, el lecho y tambin el movimiento de ste al interior de la capa lmite, al mismo tiempo que es modulada por el contorno y tambin por la presencia de las partculas slidas en el flujo. Estos procesos se comprenden slo parcialmente y son materia de investigacin en la actualidad. A continuacin analizaremos en forma detallada todo lo que contempla el arrastramiento de sedimentos, las propiedades de los sedimentos, formas de transporte en una corriente, clasificaciones, medidas de concentracin de 3

sedimentos y problemas concretos en que se ve involucrado.

GENERALIDADES DEL ARRASTRE DE SEDIMENTOSLos sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia natural de la degradacin del suelo, puesto que el material procedente de la erosin llega a las corrientes a travs de tributarios menores, debido a la capacidad que tiene la corriente de agua para transportar slidos; tambin lo puede hacer mediante movimientos en masa, es decir: desprendimientos, deslizamientos y otros eventos similares. En un punto cualquiera del ro, el material que viene de aguas arriba puede seguir siendo arrastrado por la corriente y cuando no hay suficiente capacidad de transporte este se acumula dando lugar a los llamados depsitos de sedimentos. Las corrientes fluviales forman y ajustan sus propios cauces, la carga de sedimentos a transportar y la capacidad de transporte tienden a alcanzar un equilibrio. Cuando un tramo del ro consigue el equilibrio, se considera que ha obtenido su perfil de equilibrio, sin embargo, puede ser aceptable que existan tramos o sectores de un ro que hayan alcanzado su equilibrio, aunque estn separados por tramos que no tengan este equilibrio. EI transporte de sedimentos est ligado con la hidrodinmica de los canales abiertos. La introduccin de partculas dentro del flujo altera el comportamiento hidrulico. Se puede decir que los sedimentos que forman el lecho pueden adoptar muchas formas entre las que se pueden mencionar las dunas, las rizaduras o superficies planas, esto depende del proceso de transporte. Cuando el esfuerzo de arranque que el agua ejerce sobre el lecho constituido por sedimentos es suficientemente fuerte para remover una capa de partculas, estas no se desprenden indefinidamente sino que pueden adquirir un estado de equilibrio despus de ponerse en movimiento algunas capas anteriores. Segn R. A. Bagnold, las partculas transportadas aaden una fuerza nueva, normal al lecho, que mantiene las partculas del lecho expuestas contra la traccin que se ejerce por la mezcla de agua y sedimentos. El estudio de los tipos de fondo es importante por su papel en la rugosidad del lecho, transporte de sedimentos, parmetros de flujo, socavacin y sedimentacin. Por ltimo, es de suma importancia a la hora de analizar los sedimentos, considerar los tipos de lechos que puedan existir, entre los posibles destacan:

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Lechos Planos sin Transporte de Sedimentos: Se caracterizan principalmente por la poca resistencia al flujo, de aqu el poco transporte de sedimentos. Es propio de lechos que soportan poco caudal. Lechos Rizados: Estn caracterizados por ondulaciones que resaltan por encima del nivel del lecho, llamados rizos, los cuales son pequeas formas con una pendiente alta, aguas abajo y suave en la parte aguas arriba, el espaciamiento y la geometra estn dados al azar para un caso individual, pero son uniformes en sentido estadstico.

Figura 1: Esquema Transporte de Sedimentos.

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FORMAS DE TRANSPORTE DEL SEDIMENTO EN UNA CORRIENTEEl lecho de una corriente natural que transporta material, est compuesto por granos sueltos. Las corrientes transportan material en varias formas; siendo la ms simple aquella en que las partculas se deslizan o ruedan. El rodamiento ocurre cuando las partculas estn en continuo contacto con el lecho; es por esto, que no tienen una gran importancia. Si el lecho no es uniforme, las partculas generalmente no se mantienen en contacto continuo sino que saltan; la intensidad de los saltos aumenta con los cambios de velocidad de la corriente y la partcula es atrapada por la corriente ascendente; esto puede ser prolongado. Todos los tipos de movimiento que tienen las partculas se inician cuando las fuerzas de arrastre son mayores que las fuerzas estabilizantes; las fuerzas que tienden a mover o arrastrar los sedimentos son: la presin hidrodinmica, la sustentacin y las fuerzas de viscosidad del flujo. Las fuerzas que ofrecen resistencia a la accin de movimiento estn relacionadas con: el tamao del grano y la distribucin de los granos que existen en el fondo. Las fuerzas que resisten el movimiento para los sedimentos de mayor tamao, tales como gravas y arenas, son las del peso de la partcula, mientras que para los finos son las fuerzas cohesivas. Las partculas gruesas tienen un movimiento en forma individual mientras que los finos tienen un movimiento en grupos. La iniciacin del movimiento es un proceso eventual. Se rige entonces por la probabilidad de que una partcula se mueve bajo la influencia de las corrientes turbulentas, es por esto, que dar una definicin exacta de movimiento sera imposible, por lo que en los procesos de arrastre no hay una condicin crtica que genere un comienzo brusco, en el momento en que la condicin crtica es alcanzada.

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CLASIFICACIN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOSDe acuerdo con el mecanismo de transporte pueden ser distinguidas dos formas: Carga de Lecho: Movimiento de partculas en contacto con el lecho, las cuales ruedan, se deslizan o saltan. Carga en Suspensin: Movimiento de partculas en el agua. La tendencia de asentamiento de la partcula es continuamente compensada por la accin difusiva del campo de flujo turbulento.

De acuerdo con el origen del material de transporte, se hace la siguiente distincin: Transporte de Material de Fondo: Este transporte tiene su origen en el lecho. Esto significa que el transporte es determinado por las condiciones del lecho y del caudal (puede consistir en carga de fondo y en carga de suspensin). Carga de Lavado: Transporte de partculas nulo o en muy pequeas cantidades en el lecho del ro. El material es suministrado por fuentes externas (erosin) y no depende directamente de las condiciones locales existentes (puede solamente ser transportado como carga en suspensin; generalmente material fino menor de 50 mm).

PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS7

En el estudio de transporte de slidos intervienen una serie de parmetros que caracterizan la interaccin entre el fluido, el escurrimiento y los sedimentos. Entre estos se cuentan las propiedades fsicas de los sedimentos. Existen diversas disciplinas que de una u otra forma se relacionan con los sedimentos y por lo mismo han debido estudiar sus propiedades fsicas. As por ejemplo la geologa, cuyo inters principal se centra en torno a la naturaleza de los agentes que intervienen en los procesos geolgicos, y el lugar de origen y poca de depositacin de los sedimentos, requiere de la cuantificacin de estas propiedades; la mecnica de suelos que estudia las propiedades fsicas de los sedimentos en la medida que determinan la resistencia de los suelos a solicitaciones mecnicas; y por ltimo la hidrulica que analiza las propiedades fsicas de los slidos con finalidad de escribir el equilibrio de las partculas cometidas al a accin de los escurrimientos. Desde el punto de vista de las fuerzas que se oponen al movimiento de las partculas slidas que induce la accin del escurrimiento, los sedimentos se clasifican en hidrulica, en sedimentos cohesivos y en sedimentos granulares o no-cohesivos. Estos ltimos son los ms frecuentes en cauces naturales y en ellos el peso de las partculas individuales constituye la fuerza principal que se opone al movimiento. Las caractersticas que definen los procesos de suspensin, transporte y depositacin del sedimento dependen no slo de las condiciones del flujo sino tambin de las propiedades del sedimento, como son: para los sedimentos nocohesivos: las principales propiedades fsicas de estos sedimentos son el tamao, la forma, el peso especfico, la granulometra y la velocidad de cada en el agua, estas propiedades estn relacionadas con las partculas individuales. Existen tambin propiedades relacionadas con un conjunto de partculas constitutivas de los materiales. Es el caso de los depsitos de sedimentos en los cuales interesa el peso volumtrico (global) y la relacin de vacos o porosidad. Las propiedades de los sedimentos ms relevantes son descritas a continuacin: Tamao: La propiedad ms importante de una partcula de sedimento es su tamao, por lo cual, ha sido la nica propiedad que caracteriza los sedimentos. Solamente si la forma, densidad y distribucin granulomtrica son semejantes en diferentes sistemas hidrulicos, se pudiese considerar que la variacin de su tamao define la variacin del comportamiento del sedimento. Forma: Es una caracterstica que determina el modo de movimiento de la partcula (grano de forma aplanada, en el lecho, difcilmente se

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mueve por rotacin, pero s se desplazan fcilmente o, eventualmente pueden saltar) Normalmente se define a travs de la redondez, esfericidad y el factor de forma. Densidad: Es la relacin entre la masa que posee una partcula y su volumen. La gravedad especfica, gs, se define como la relacin entre la densidad de la partcula slida y la densidad del agua a 4 grados centgrados. La mayora de los sedimentos de los ros son cuarzos o feldespatos cuya gravedad especfica es 2.65; sin embargo, gs vara desde 1.35 a 1.70 para la piedra pmez hasta 7.6 para la galena. Pesos Especfico: Es la relacin entre el peso de la partcula y su volumen. Es igual al producto de la densidad por la aceleracin de la gravedad. Porosidad (n): Se define como la relacin entre el volumen de vacos y el volumen de granos o volumen de sedimentos. Velocidad de Cada (W): Es la velocidad lmite que adquiere la partcula cuando cae en agua destilada, en reposo, de extensin infinita a una temperatura constante de 24 grados centgrados. Dimetro Tamizado: Se refiere a la abertura mnima de la malla por la cual pasa una partcula. Se determina mediante el tamizado de una muestra y definiendo una curva granulomtrica. Dimetro de Sedimentos: Es el dimetro de una esfera equivalente de igual densidad y velocidad de cada que la partcula slida, cayendo libremente en un lquido de extensin infinita que tiene la misma temperatura que el lquido dentro del cual cae la partcula en cuestin. Se determina midiendo la velocidad de cada de la partcula en el lquido e igualando dicha velocidad a la de la esfera de igual densidad que cae en el mismo lquido, a la misma temperatura. Es un tamao variable que depende del lquido y de la temperatura de este. Una misma partcula slida puede tener varios dimetros de sedimentacin, dependiendo del tipo de lquido y su temperatura. Dimetro de Sedimentacin Estndar: Es el dimetro de sedimentacin correspondiente al agua destilada a 24C. Esta medida fue establecida para permitir una normalizacin de la velocidad de sedimentacin en orden a independizarla del lquido y la temperatura. Dimetro Nominal: Es el dimetro de una esfera que tiene el mismo volumen que la partcula slida. Dimensiones Triaxiales: Dadas las variadas formas de las partculas, a veces se utiliza tres dimensiones lineales en la direccin de tres ejes mutuamente perpendiculares para caracterizar el tamao de las partculas; a la dimensin mxima se le denomina a, a la intermedia b y a la menor c, como se muestra en la figura 1.

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Figura 2: Definicin de las Dimensiones Triaxiales.

* Definicin de las dimensiones triaxiales: Cuando se trata de partculas grandes medianas, el tamao se define de las dimensiones triaxiales individuales o de su promedio. El dimetro de tamizado se utiliza comnmente para arenas y gravas, y el dimetro de sedimentacin se utiliza para las partculas ms finas del tipo limos y arcillas cuyos dimetros son inferiores a 0,1mm. * Clasificacin de los sedimentos segn el tamao: Existen numerosas clasificaciones de los sedimentos de acuerdo a su tamao. En hidrulica, se ha adoptado en general la clasificacin de la American Geophysical Union de los EE.UU. (AGU). Esta clasificacin se incluye en la Tabla 2.1 en conjunto con el rango de dimetros y nmero de malla de cada intervalo. La clasificacin sigue una progresin geomtrica de 2, lo que facilita su utilizacin. Las mallas siguen en general una progresin de 42, pero en la tabla se ha incluido slo las correspondientes a los dimetros de la clasificacin AGU. La clasificacin de la AGU presenta una frontera natural para los finos (arcillas y limos) y arenas. En efecto se ha observado experimentalmente el tamao de una partcula natural que sigue la Ley de Stokes. En los ros los dimetros menores que este tamao se encuentran en muy pequea proporcin en el lecho y constituyen parte del llamado sedimento de lavado de la cuenca (washload). En las Tablas 2.2 y 2.3 se ha incluido adems las clasificaciones del United States Soil Conservation Service (Clasificacin USCS) y la de American Society of Testing Material (ASTM) que conviene tambin conocer, en especial la ltima que se utiliza con frecuencia en otros campos de la ingeniera civil.

CLASIFICACIN DE LOS SEDIMENTOS DE ACUERDO A LA AGU Dimetro Denominacin N Malla Abertura

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(m) 4-2 2-1 1 - 0,5 (cm) 50 - 25 25 - 13 (mm) 130 -64 64 - 32 32 - 16 16 - 8 8-4 4-2 2-1 1 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0,125 0,125 - 0,062 (u) 62 - 31 31 - 16 18 - 8 8 -4 4-2 2-1 1 - 0,5 0,5 - 0,25

Rocas muy grandes Rocas grandes Rocas medianas Rocas pequeas Boln grande Boln pequeo Grava o ripio muy grueso Grava gruesa Grava mediana Grava fina Grava muy fina Arena muy gruesa Arena gruesa Arena mediana Arena fina Arena muy fina Limo grueso Limo medio Limo fino Limo muy fino Arcilla gruesa Arcilla media Arcilla fina Arcilla muy fina

2 1/2 1 1/4 1 5/8 1 5/16 5 8 10 18 35 60 120 200 230

64 32 16 8 4 2,38 2 1 0,5 0,25 0,125 0,074 0,063

Tabla 1: Clasificacin de Sedimentos Segn AGU.

CLASIFICACIN DE LOS SEDIMENTOS DE ACUERDO A LA USCS Dimetro Denominacin (cm) 2-8 Ripio grueso 0,5 - 2 Ripio fino (mm) 20 - 5 Arena gruesa 0,4 - 2 Arena mediana 0,05 - 0,4 Arena fina (u) 5 - 50 Limos