Introducción HF

8/19/2019 Introducción HF

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Apreciados estudiantes del curso de Hidráulica Fluvial:

Con mi cordial saludo, adjunto les estoy enviando un archivo con un artículo sobre lahidráulica fluvial para su lectura. El trabajo consiste en hacer un escrito individual, en el

cual cada uno:

• A) Describa con sus propias palabras el objetivo del artículo, un resumen de su contenido y un

comentario personal sobre el tema tratado allí que considere de la mayor importancia desdesu perspectiva de ingeniero (en formación)

• B) Describa 1 conceptos e!tractados del artículo o ideas e!puestas por el autor, que considere

interesantes y e!plique las ra"ones de su selección#

• $) %ndique 1 variables o par&metros que permitan describir las características de un río y su

comportamiento especial y temporal, argumentando de qu' manera esa información es til#

l trabajo debe entregarse el día jueves *+ de febrero (al iniciar la clase), estar escrito a mano, con unaportada y una introducción sobre el objetivo del trabajo escrito# a redacción y la ortografía deben serimpecables, así como tener una e!celente presentación#


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Universidad Nacional de Colombia

Sede Bogotá

Facultad de ingeniería

Departamento de ingeniería civil y agrícola

Introduccin a la !idráulica "uvial

#resentado por$ %ulián Camilo &r'uela

(idráulica Fluvial 2)2)*)2+1

Ingeniero Carlos ,duardo Cubillos #e-a

2* de .ebrero del 2)1/


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1. Introducción

Un cauce aluvial es el resultado de numerosos procesos naturales ue crean

los elementos más importantes en el análisis de un rio la produccin y

transporte de sedimentos3 ,stos sedimentos con.ormaran entonces el .ondo olec!o del rio ue se .orma cuando al agua no le es posible transportar esta

carga producida por los procesos de erosin3 ,ste transporte viene

determinado por numerosas variables como la precipitacin o pendiente del

cauce ue deben ser entendidas y descritas para conocer el comportamiento

espacial además de temporal del rio estudiado y de la cuenca de la cual !ace

parte ue act4a como drena'e natural3

,l estudio de la !idráulica "uvial debe ser abordado desde di.erentes

disciplinas ue participan en la caracteri5acin de los procesos ue tienen lugaren una cuenca !idrográ6ca3 ,s así como la !idrología la !idráulica y la

geología deben converger !acia una e7plicacin ue argumente el

comportamiento de un rio en particular3 ,sta interdisciplinariedad debe ubicar

al rio o cauce natural en el centro de sus estudios y anali5ar los elementos ue

componen la cuenca además de cmo se interrelacionan con el cauce para

así llegar a una respuesta apropiada sobre el ob'etivo principal de la

investigacin ue sería conocer la a.ectacin de las obras sobre el rio3 ,n el

artículo %aime Iván &rdo-e5 aborda y describe los conocimientos sobre la

!idráulica "uvial ue !asta la .ec!a !an e7plicado en gran medida el

comportamiento .ísico de un rio pero se-ala tambi8n ue al tratarse de unaciencia reciente se reuiere de investigacin adicional no 4nicamente en el

tema de transporte de sedimentos sino tambi8n en las diversos aspectos ue

competen a el recorrido del cauce3 8poca

2Síntesis del artículo

,n el artículo 9introduccin a la !idráulica "uvial: se e7pone una visin general

bastante completa sobre los temas ue se deben abordar para e.ectuar el

estudio de un cauce aluvial3 Como e'e principal se dan las descripciones

!idrolgicas geolgicas e !idráulicas necesarias3 Se plantea el concepto de

erosin iniciando con la meteori5acin de la roca para luego dar una

e7plicacin sobre la interaccin entre el agua del cauce la vegetacin y los

sedimentos llegando a la interpretacin de los modelos de transporte

dividiendo estos a su ve5 entre el modelo propuesto por (ans ;lbert ,instein

para partículas gruesas ue estarán la mayor parte del tiempo en el .ondo del

canal y el modelo desarrollado para partículas en suspensin o partículas


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6nas3 ; pesar de contar ya con la comprensin de toda esta in.ormacin y

e7poner la visin correcta ue se debe tener de la !idráulica "uvial el ob'etivo

del autor es e7poner la direccin ue debería tomar el curso de la

investigacin de esta rama ue seg4n 8l se debe dividir en dos temas

principales3

,l primer tema se de6ne como investigacin .undamental en la cual solo se

podría tomar en cuenta como se da el transporte de sedimentos además de

como cambiaria o se daría la !idráulica en cauces con lec!os mviles por

supuesto esta parte podría ser reali5ada en laboratorios y anali5ada

matemáticamente3 ,l segundo en.oue debe darse como un estudio de campo

y se centra en la delimitacin del rio dentro del ciclo geomor.olgico =ue será

e7plicado más adelante> partiendo del análisis de los agentes erosivos como

lo son el viento el agua y la gravedad3 (idrográ6ca

Sin de'ar olvidado el apartado sobre el desarrollo !istrico de la !idráulica

"uvial ue es un resumen bastante completo ue evidencia las di6cultades del

desarrollo de esta disciplina y todos los aportes ue se !an reali5ado

empe5ando por Pierre-Louis-Georges Du Buat, se podría resumir el artículo

en siete puntos principales como sigue a continuacin3

2.1Visión general del proceso fuial ! co"o de#e ser a#ordado

#artiendo de ue el rio a anali5ar !ace parte de una cuenca y esta puede ser

entendida como un drena'e natural del agua de la lluvia ue cae dentro de

esta se debe empe5ar a describir cmo se va a comportar el agua proveniente

de esa lluvia dentro de la cuenca y especialmente dentro del rio3 #ara empe5ar

el rio va a transportar el agua !acia la parte más ba'a de la cuenca y en este

proceso tambi8n se transportaran sedimentos ya ue el agua tiende como

agente erosivo a desprender partículas del suelo y transportarlas a un nuevo

punto3 ,ste transporte depende a su ve5 de características del relieve como la

pendiente del rio y esta condiciona otras variables como la velocidad uelleva el agua dentro del rio o ue tanta turbulencia se da en cierto punto3

,n este punto se introduce una nueva variable ue surge a partir del arrastre

de sedimentos 6nos transportados por la corriente$ la vegetacin3 Dependiendo

de su desarrollo el agua puede modi6car su curso .ormando una nueva ruta3

#or e'emplo una vegetacin bastante desarrollada con árboles ya bien

.ormados necesariamente serán un obstáculo para el paso del agua3


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*

?a entendido esto se inducen las ciencias ue deben participar en el estudio de

los ríos y como se transportan sus sedimentos3 #ara empe5ar la geología va a

ayudar a comprender como !a sido el desarrollo del rio y ue tanto tiempo !a

pasado desde la .ormacin del valle ue recorre clasi6cando la edad del rio en

'oven maduro o vie'o3 @a !idrología provee !erramientas para poder cuanti6car

el agua ue corre por el rio y los sedimentos3 Aeniendo la in.ormacinproporcionada por la !idrología la !idráulica podrá .ormular a partir de las

características ue tiene el "u'o de agua en el rio como se da el transporte de

sedimentos3 @a recopilacin de esta in.ormacin es la manera de abordar el

problema de la !idráulica "uvial ue generara como salida despu8s de su

debido análisis la respuesta del rio3

Visión geológica de la cuenca

,ste tipo de estudio debe reali5arse teniendo en cuenta dos puntos a tratar3

#rimero se debe conocer la estructura geolgica de la cuenca como los suelos

y rocas presentes en esta3 Dependiendo del estado de estos suelos y rocas laproduccin o abastecimiento de sedimentos puede ser distinta en varios

puntos di.erentes a anali5ar y esto a su ve5 va a determinar los patrones de

drena'e o posibles caminos ue tomara el rio3 ,l segundo aspecto a tener en

cuenta se re6ere al estado o edad del rio dentro del ciclo geomor.olgico ue

puede describirse apreciando el relieve3 ,l rio puede clasi6carse como 'oven

cuando tiene pocos a"uentes y se puede denotar una .orma del valle ue

recorre el cauce en 9:3 Un rio más maduro empie5a a presentar ríos

tributarios y el inicio de la .ormacin de un valle amplio ue permite ue el rio

se ensanc!e llegando 6nalmente al estuario donde desemboca generalmente

al mar3 ,l rio vie'o es identi6cable por la .alta de relieve con la presencia de un

valle bastante anc!o3 ;demás

Descripción del ciclo geo"or$ológico

,ste ciclo comprende todos los procesos ue pueden darse en una cuenca3

Desde la posicin de un gelogo el ciclo inicia con un levantamiento de tierras

producido por el movimiento de las placas tectnicas en donde los procesos

naturales de drena'e meteori5acin y erosin intentaran nivelar este nuevo

relieve3 Se debe empe5ar con la de6nicin de meteori5acin ue es un

.enmeno ue provoca un desgaste no solo .ísico sino tambi8n uímico de la

roca madre presente en el terreno3 Físicamente la roca puede .racturarse por

continuos cambios de temperatura y la presencia de !umedad pero tambi8n

puede ocurrir cuando se dan procesos naturales como actividad volcánica o

terremotos3 #ara la meteori5acin uímica el agua es indispensable ya ue

esta .acilitara la reaccin entre los minerales de la roca y esta misma

concluyendo así ue en 5onas de precipitacin alta se .avorece este cambio

uímico3 Una ve5 el material de la roca principal o madre !a sido meteori5ado

los agentes erosivos =agua viento gravedad> empie5an su accin sobre este


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/

removiendo en este punto inicia el transporte de sedimentos !acia otro lugar

de la cuenca generalmente el punto más ba'o de esta3

%o"paración canales arti&ciales ! naturales desde una isión

'idr(ulica

,sta parte es bastante interesante pues los canales arti6ciales son dise-ados

con parámetros !idráulicos prácticamente estáticos ue son pensados en

.uncin de llevar la mayor cantidad de agua posible por el canal3 #ero un canal

natural presenta una variacin en estos parámetros en apenas unos metros de

recorrido por lo tanto no pueden anali5arse como se !aría con un canal

arti6cial3

,stas di.erencias se dan ya ue el rio interacciona con su entorno y por lo

tanto no le es posible mantener características constantes como su seccin

transversal la pendiente la rugosidad3 Aampoco se da el caso en ue un rio

sea totalmente rectilíneo por lo tanto el "u'o en este será variado en el

espacio =no uni.orme> además de ue tampoco mantendrá condiciones de

"u'o constantes en el tiempo =no permanente>3 ,stos parámetros dinámicos

!acen ue el rio vari8 su posicin constantemente di6cultando la identi6cacin

de su paso anterior por el terreno3

%o"ponentes del canal natural

Se describen los elementos ue componen el canal natural como son el agua

la vegetacin y los sedimentos pro.undi5ando en estos 4ltimos3 ,l agua debe

ser interpretada seg4n su distribucin espacial y temporal dentro de la cuenca3

@a vegetacin es la variable más impredecible pues no es posible medirla

pero esta tiende a estabili5ar el suelo en contra de la erosin pues además de

ue protege contra el golpe de la lluvia se genera un e.ecto de agarre por

parte de las raíces ya desarrolladas3

@os sedimentos es la parte de mayor inter8s para el ingeniero pues la

estimacin de sedimentos transportados permite conocer el volumen de estos

en un punto especí6co donde la corriente no pudo transportarlos más

adelante3 ,ste proceso tiene la comple'idad de ser di.erente seg4n los tama-os

y los componentes mineralgicos ue componen el materialpues tambien la


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sedimentacin será di.erente3 Dividiendo los materiales en gruesos =gravas y

arenas> y 6nos =limos y arcillas> se puede describir el proceso de depositacin

de manera más apropiada3 @os materiales gruesos se van a mover por arrastre

en el .ondo del rio por lo tanto la velocidad y la turbulencia del "u'o en el

.ondo del rio determinan el movimiento de estas partículas3 Se conoce ue

estas se depositan en las cabeceras de los embalses y en la entrada de losa"uentes3 @os sedimentos 6nos claramente no se asentaran .ácil y

generalmente serán transportados suspendidos en el agua despreciando la

dependencia para su transporte de la velocidad y la turbulencia del "u'o

)ransporte cuanto

,l rio en cuestin siempre tratara de acarrear los sedimentos ue la cuenca le

proporcione tratando de a'ustar su capacidad de transporte =características

geom8tricas e !idráulicas del canal> cuando se da una variacin de este

abastecimiento3 @os materiales gruesos depositados en el .ondo del canal se

consideran prácticamente ilimitados mientras ue los materiales 6nos sesuponen provenientes de .uera del cauce principal ya ue están presentes en

menores cantidades ue los gruesos y su transporte depende más de las

.ormas de la super6cie ue recorre el rio o del r8gimen de precipitaciones ue

de la velocidad del "u'o pues generalmente las partículas 6nas via'an en

suspensin en el agua3 ,l transporte de materiales 6nos debe ser medido en el

rio similar a como se reali5aría una medicin de caudales con una estacin

!idrolgica3 #ara llegar a una apro7imacin de las tasas de produccin de

sedimentos se presenta la ecuacin universal ue arro'ara un valor

apro7imado anual de esta produccin teniendo en cuenta .actores propios de

la 5ona en donde se va a aplicar como la pendiente el tipo de cultivo las

prácticas de conservacin de los suelos la precipitacin y la perdida promedio

de suelos en la 5ona3 Sin embargo se debe aclarar ue para ue los valores

arro'ados por esta sean con6ables lo me'or es reali5ar la e7perimentacin

apropiada en las condiciones donde pretende ser aplicada para poder

identi6car correctamente los coe6cientes empíricos ue componen la ecuacin3

@a aparicin de ecuaciones para e7plicar los procesos ue se dan en la

produccin de sedimentos y transporte en el rio son de vital importancia para

.acilitar la comprensin del comportamiento de los ríos3 Como cada rio

presenta sus características particulares en cuanto a .ormaciones geolgicas

geomor.olgicas =del relieve> !idrolgicas e !idráulicas el uso de modelos

matemáticos ue relacionen las características propias del terreno donde está

el rio ue se desea estudiar como la ecuacin universal .acilitaría la

recopilacin de los parámetros reueridos con traba'o de campo y análisis

estadístico pienso yo similar a las curvas sint8ticas de intensidad+duracin+

.recuencia para una 5ona determinada3


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%onceptos Generales

- Vegetación erosión o#st(culo,l desarrollo de la vegetacin en los canales es inevitable pues siempre

se dará transporte de nutrientes ue permitan su desarrollo3 ,simportante su e.ecto en contra de la erosin pero más interesante aun

es ue solo se puede describir el e.ecto ue podría tener sobre el curso

del cauce mas no se puede relacionar o medir de una manera

cuantitativa por lo tanto el correcto análisis ueda supeditado a la

e7periencia del investigador3- Pendiente ! tra*as

@a pendiente de la corriente determina la velocidad ue puede llegar a

llevar el agua3 Cuando se dan reducciones locales de la velocidad la

corriente pierde la capacidad de llevar los sedimentos y en estos puntos

uedaran depositados permitiendo ue la toma de muestras en estas

5onas siendo posible saber u8 tipo de material está siendo

transportado3- +elación anc'o pro$undidad natural s arti&cial

,n un canal natural la relacin anc!o pro.undidad va a ser variable y

generalmente menor ue en un canal arti6cial es decir un canal arti6cial

va a tener una pro.undidad mayor de agua porue está pensado para la

conduccin 4nicamente3 ,ste tiene parámetros !idráulicos constantes

algo ue es totalmente opuesto al análisis del cauce natural pues este

solo puede ser anali5ado como un sistema dinámico3 Ultimo- Patrón de drenae

@a observacin y clasi6cacin del patrn de drena'e en una cuenca

puede inmediatamente dar una idea al ingeniero del tipo de

.ormaciones geolgicas ue e7isten en la 5ona además del grado de

meteori5acin y erosin ue presenten sus rocas y suelos3- "#alse

@a identi6cacin de los sedimentos arrastrados por el a"uente a aun

embalse y su sedimentacin cerca y dentro de este pone en evidencia

como se da la depositacin de los di.erentes tama-os de sedimentos3

Uno pensaría ue los sedimentos más gruesos al ser más pesados se

irían al .ondo del embalse pero resulta ue no alcan5an a !acer este

recorrido sino ue se uedan en la entrada del a"uente mientras ue

los sedimentos 6nos se me5clan con el agua y via'an !asta el .ondo deeste3

- uili#rio sedi"entosUn rio en euilibrio llevaría los sedimentos ue la cuenca le proporciona

modi6cando su geometría y pendiente3 Aratándose así !ablaríamos de

un euilibrio dinámico entre los elementos .ísicos del canal ue se

modi6can constantemente para poder adaptarse pues esa produccin


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de sedimentos no es igual ni en el tiempo ni en el espacio .ísico de la

cuenca3- Descripción de la respuesta

,l caudal liuido =agua> y el caudal solido =sedimentos> no son

constantes en el cauce por lo tanto el análisis de sus cambios a.ecta

directamente los parámetros de anc!o del canal natural pro.undidad del"u'o pendiente velocidad las curvas naturales o meandros y ue tan

ondulado es el canal3 @a síntesis de Stanley S!umm resume como el

cambio en el caudal líuido en este caso el promedio anual y el cambio

en el caudal solido modi6can los parámetros ya mencionados pero

tambi8n de'a ver como no siempre es predecible este cambio por

e'emplo cuando e7iste un aumento del abastecimiento de sedimentos y

el caudal líuido no se sabe con e7actitud si la pro.undidad del "u'o va a

ser mayor o menor3- /rrastre de partículas gruesas en el $ondo del rio

Como el .ondo del rio está compuesto por partículas gruesas el análisis

de cmo se da su transporte tiene ue ser planteado de manera uerelacione las características !idráulicas del "u'o y las propiedades del

material como lo plantea (ans ;lbert ,instein3 ,l acarreo de el

sedimento grueso va a depender de la velocidad y de la turbulencia ue

se de cerca al .ondo teniendo en cuenta dos capas sobre el lec!o una

de ellas mvil y la otra de soporte se .ormulan dos parámetros G el

parámetro de transporte y HG la intensidad del .lu'o cuya relacin

permite el cálculo de la tasa de transporte del material grueso3- %ontrol dual

@a relacin entre el abastecimiento de sedimentos y la capacidad de

transporte determina la condicin del lec!o3 ,n puntos donde el agua no

es capa5 de transportar sedimentos se van a depositar en el lec!o los

sedimentos y la pro.undidad del "u'o se verá a.ectada mientras ue tal

ve5 en una 8poca de muc!a precipitacin el caudal liuido aumente y

vuelva a transportar este material depositado previamente3 ,stas dos

variables =abastecimiento y capacidad de transporte> van a determinar

en gran medida entonces el comportamiento !idráulico del rio3

dad del rio

,s de inter8s conocer la edad de los ríos dentro del ciclo geomor.olgico ya

ue esta clasi6cacin permite conocer en u8 estado se encuentra el proceso

de erosin de la cuenca !aci8ndose una idea de la cantidad de sedimentosue serán producidos pues en un rio 'oven la erosin será mayor ue en uno

más maduro ue tendera a consolidar patrones de drena'e y cambiar el curso

de su recorrido seg4n su necesidad de transporte3


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1)

Varia#les para descri#ir el co"porta"iento espacial ! te"poral de un

rio

Precipitación

,l r8gimen de lluvias de la 5ona puede ayudar a identi6car el comportamiento

del rio en ciertas 8pocas del a-o además de descubrir a"uentes posiblementeintermitentes ue solo se den en 8pocas de lluvias constantes3 ,l

conocimiento de la distribucin espacial de la lluvia sobre la cuenca puede ser

de ayuda para conocer ue partes de esta presentan más erosin y por lo

tanto producen más sedimentos3 Aambi8n esta variable va a propiciar un

cambio de magnitud del caudal líuido sobre el rio3

/nc'o del alle

Cuando un rio está en estado maduro dentro del ciclo de la erosin los suelos

ue circundan la corriente pueden permitir el cambio de posicin de esta a lo

anc!o del valle3 #ara tener una apro7imacin de la longitud del cauce semenciona ue esta tiene generalmente una longitud mayor de 13* a 0 veces el

anc!o del valle ue recorre3

Vegetación

,s una variable muy importante ue a pesar ue no se !a involucrado

directamente con ecuacin de transporte o produccin de sedimentos tiene

e.ectos sobre los procesos ue permiten estos .enmenos3 ;demás de ue

puede constituir un obstáculo al "u'o de agua su e.ecto protector del suelo

contra la erosin debería ser tenido en cuenta cuando se calculan las tasas de

produccin de sedimento3

#endiente

,ste parámetro permite además de identi6car donde puede !aber

depositacin de sedimentos la velocidad del "u'o en el recorrido del rio ue

seguramente será di.erente en los tramos anali5ados3

Aama-o sedimentos

,s necesario para poder entrar a manipular la ecuacin de transporte ya ue

conociendo el material ue está corriendo por el cauce se aborda el problema

de manera di.erente3 Cuando se tienen materiales gruesos se utili5aría la

metodología de la carga de arrastre e intensidad del "u'o para el .ondo del

canal natural pero sí de materiales 6nos se trata entonces se cuanti6cara la

tasa de transporte partiendo de la concentracin a una pro.undidad

determinada del "u'o3

#ermeabilidad de los suelos


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,ste parámetro puede dar una idea de la cantidad de agua ue se in6ltra en el

suelo de la cuenca !idrográ6ca si se identi6ca el suelo más permeable podría

predecirse de una manera más acertada el comportamiento del rio ante una

perturbacin u obra.

Capacidad de transporte

Se debe calcular para establecer si el cauce se encuentra en euilibrio con la

cuenca y es capa5 de transportar los sedimentos ue esta le está aportando o

por el contrario e7isten puntos de depositacin a lo largo de este ya ue

seguramente esta capacidad no será constante a lo largo del rio ni tampoco en

las di.erentes 8pocas del a-o3

;bastecimiento de sedimentos

,s necesario apro7imar una ta5a de produccin de sedimentos para compararla

con la capacidad de transporte y deducir así en ue partes del lec!o se está

dando la socavacin o depositacin de material3

ugosidad

;unue no es constante en ninguna seccin transversal del canal natural

debido a obstrucciones el material del lec!o y su propia irregularidad conocer

este valor ayuda a saber la resistencia al "u'o e'ercida en alg4n punto del canal

natural donde el es.uer5o cortante va a ser mayor y los sedimentos tenderán a

depositarse3

@ongitud de los meandros

#uede llegar a ayudar a comprender cuál !a sido el comportamiento anterior

del rio en cuanto a variabilidad de los caudales líuidos y slidos pues una

longitud de onda mayor signi6ca ue recientemente estos aumentaron3


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