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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION ............................................................................................................... 2

MARCO TEORICO ............................................................................................................ 3

Definición de canal erosionable. ..................................................................................... 3

Canales erosionables con transporte de sedimentos en el lecho. .................................. 3

Formas y movimientos del lecho. ................................................................................... 3

Propiedades y características del sedimento. ................................................................. 4

Inicio del movimiento de sedimentos, movimiento de carga de lecho. ............................ 4

Tipos de movimientos de partículas de sedimento. ........................................................ 6

Parametro de Shields. .................................................................................................... 6

Aplicabilidad de los conceptos de transporte de sedimentos al diseño de canales

erosionables. .................................................................................................................. 7

CONCLUSIONES .............................................................................................................. 9

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 10

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INTRODUCCION

La mayoría de las corrientes naturales se caracterizan por algún transporte de

sedimentos, también los canales artificiales no revestidos con lechos en grava,

arena o finos. Es por esta razón que es importante conocer la influencia del

transporte de tales sedimentos sobre el canal, que debido a este fenómeno tendrá

una rugosidad, una forma y dimensiones de lecho variables para las cuales por

supuesto, nuestro diseño debe estar preparado de tal manera que se logre cierta

estabilidad y que la sección que escojamos tenga capacidad para la tasa de

transporte de sedimentos que en el habrá además del caudal de agua.

Para tal fin se nos hace indispensable conocer las diferentes formas que puede

adoptar el canal, y los criterios a tener en cuenta para el diseño de canales

erosionables con transporte de sedimentos.

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MARCO TEORICO

Definición de canal erosionable.

Un canal erosionable es todo canal que no se encuentra revestido de algún

material en todo su perímetro mojado. Este tipo de canales pueden diseñarse bajo

dos condiciones: aquella en la que se toma como premisa que el canal se

socavara mas no se sedimentara, y aquella en la que se acepta que haya

transporte de sedimentos.

Canales erosionables con transporte de sedimentos en el lecho.

Los canales en que se da transporte de sedimentos, conocidos como canales

aluviales, el lecho cambia constantemente de forma y el movimiento de partículas

de este puede generar erosión o acreción. La mayoría de corrientes naturales

presentan transporte de sedimentos, y si el hombre desea intervenirlos debe

predecir y controlar este de tal manera que pueda cumplir con las funciones

requeridas.

Formas y movimientos del lecho.

La pendiente del lecho, la profundidad y la velocidad de flujo, el tamaño del

sedimento y la velocidad de asentamiento de las partículas influyen sobre la forma

del lecho del canal. El parámetro principal para suponer que tipo de forma tomara

el lecho es el número de Froude. Las diferentes formas que pueden tomar el lecho

dependiendo de este son:

Lecho plano: Se puede presentar en dos casos; cuando no hay flujo o

cuando el número de Froude es menor o igual que uno que es una

transición entre la forma de lecho de dunas y de ondas estacionarias. En

este caso no hay movimiento de la forma del lecho.

Rizos: Se presenta cuando el número de Froude es mucho menor que uno

y la forma del lecho migra hacia aguas abajo. Se dan en la presencia de

una capa limite laminar y su tamaño es independiente de la profundidad.

Dunas: Se presenta en flujo subcritico y la forma del lecho se mueve hacia

aguas abajo. A diferencia de los rizos la capa limite es turbulenta y su

tamaño es proporcional a la profundidad.

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Ondas estacionarias: Ocurren cuando el flujo es crítico o muy cercano a

este. En estas no hay movimiento de la forma del lecho, es decir que el

perfil de la superficie está en fase con la forma del canal.

Antidunas:Ocurren para flujos supercríticos. El perfil de la superficie está

en fase con el fondo del canal y se presentan resaltos hidráulicos.

Rápidas: Se presentan para flujos supercríticos y el lecho migra aguas

arriba. Soy antidunas muy activas.

Cuencos: Sucesión de escalones y piscinas. Se presentan en flujo

supercrítico y migran en dirección aguas arriba.

Propiedades y características del sedimento.

Los sedimentos pueden ser de dos tipos: material cohesivo o no cohesivo. El

primer grupo lo constituyen básicamente arcillas y limos, y el último grupo de

gravas, arenas y cantos rodados.

La propiedad más importante de la partícula de sedimento es su tamaño. Esto se

debe a la manera en que este influye en que haya o no transporte de sedimentos

puesto que a mayor tamaño es másdifícil desplazarlo. Como la mayoría de las

partículas no son perfectamente esféricas para definir el tamaño de la partícula se

usa: el diámetro del tamiz que es el tamaño de la partícula que pasa a través de

un tamiz de tamaño dado pero que no pasa a través del siguiente; el diámetro de

sedimentación que es el tamaño de una esfera de cuarzo que cae con una

velocidad de asentamiento igual a la de la partícula de sedimento real y el

diámetro nominal que es el de una esfera de la misma densidad y masa que la

partícula real.

Otra característica del sedimento a tener en cuenta es el ángulo de reposo, el cual

es el ángulo crítico para el cual ocurre el movimiento y se denomina . Este es

función de la forma de la partícula.

Inicio del movimiento de sedimentos, movimiento de carga de lecho.

Para prevenir la erosión del lecho del canal es esencial conocer con exactitud el

momento en el cual iniciara el movimiento de sedimentos.

Ocurre que la mayoría de los canales en los que se da el transporte de

sedimentos se comportan como flujos permanentes, acercándose a si a las

condiciones de flujo uniforme. Es por esta razón que es útil la fórmula de la

velocidad media en flujo uniforme hallada a partir de la ecuación de momentum:

5

√

√ (1)

Donde f es el coeficiente de fricción de Darcy, R el radio hidráulico y ϴ la

pendiente del lecho.

Pero con tener la velocidad del flujo no debemos conformarnos. Además es

necesario que conozcamos el perfil de la velocidad y siendo más específicos la

velocidad en el fondo del canal.

Esta velocidad se conoce como velocidad de corte y es función del esfuerzo

cortante de frontera. El esfuerzo cortante de frontera, por su parte, es el esfuerzo

promedio sobre el área mojada y se define como:

(2)

Donde Cd es el coeficiente de arrastre y V es la velocidad media del flujo. Este

coeficiente de arrastre habitualmente se le da el valor de un cuarto del coeficiente

de fricción de Darcy, siendo ahora el esfuerzo cortante de frontera, lo siguiente:

(3)

La velocidad de corte (Vc) es una medida del esfuerzo cortante y del gradiente de

velocidad cerca de la frontera sólida, es decir, para el caso de canales cerca del

fondo. Esta fue definida por Henderson como:

√

(4)

Es importante resaltar que en base a esta velocidad definimos un nuevo número

adimensional utilizado para la clasificación de flujos: El número de Reynolds de

corte. A partir de este los flujos pueden ser turbulento liso, turbulento en transición

o turbulento completamente rugoso.

Donde Ks es la rugosidad superficial promedio y v es la viscosidad cinemática del

agua. En canales, los flujos turbulentos lisos tienen número de Reynolds de corte

menores que 4, de transición entre 4 y 100, y turbulento completamente rugoso

mayores que 100. La rugosidad superficial promedio puede hallarse a partir de la

fórmula de Colebrook-White.

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Tipos de movimientos de partículas de sedimento.

El material transportado recibe el nombre de carga de sedimentos. Este, puede

moverse a través del canal de dos formas: como carga de lecho o como carga en

suspensión. La carga de lecho son granos que ruedan a lo largo del lecho, cuyo

movimiento inicia cuando el esfuerzo cortante del lecho excede un valor crítico. Un

sedimento en suspensión se mueve rodeado de fluido.

El movimiento en suspensión se da cuando las partículas que van a lo largo del

lecho (carga de lecho) van chocando entre si y rebotan hasta que la nube de

partículas entra en suspensión.

Parametro de Shields.

Haciendo un análisis estático de la partícula de sedimento, nos podemos dar

cuenta que en ella intervienen principalmente cuatro fuerzas: la gravedad, la

fuerza de flotación (ambas verticales y en sentidos opuestos), la fuerza de arrastre

que actua en dirección al movimiento y la fuerza de sustentación perpendicular a

esta última. El movimiento de la partícula inicia cuando los momentos que generan

la fuerza de arrastre, flotación y sustentación son mayores que el momento

generado por el peso de la partícula.

Shields, introdujo un parámetro de estabilidad ( a través de observación

experimentales, que se define como:

( (6)

Donde s es la densidad relativa de los sólidos y diámetro nominal de las

partículas de sedimento. El movimiento de carga de lecho ocurre cuando el

parámetro de estabilidad de Shields excede un valor crítico, definido de la

siguiente manera dependiendo del número de Reynolds de corte:

Flujo turbulento liso ( (

Flujo de transición ( (

Flujo turbulento completamente rugoso ( (

Para estimar el parámetro de Shields critico debe recurrirse al diagrama de

Shields o reemplazar en las formulas propuestas por Julien[ ], que están en

función del ángulo de reposo del material y del diámetro y densidad relativa de

este.

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Figura 1. Diagrama de Shields.

Aplicabilidad de los conceptos de transporte de sedimentos al diseño

de canales erosionables.

Para el diseño de canales aluviales, es decir, aquellos donde es inevitable el

transporte de sedimentos, las variables más importantes son el caudal de agua, la

tasa de transporte de sedimentos y el tamaño de estos.

Para empezar, el ingeniero determina las características del canal, es decir, la

pendiente del lecho, la forma de la sección transversal, el ancho del canal, las

propiedades del lecho móvil (porosidad, densidad de sólidos, tamaño de

partículas) y las formas que el lecho ha adquirido anteriormente.

Posteriormente, se escoge el caudal de diseño y la tasa de transporte de

sedimentos que se manejara en el canal. Para calcular la velocidad de flujo se

supone un flujo uniforme y lecho plano haciendo uso de la ecuación (1) y para el

esfuerzo de corte del fondo del canal la ecuación (2). Para medir el tipo de forma

del lecho se usa el diagrama de Engelund y Hasen. Ya con estos datos es posible

calcular el esfuerzo cortante por fricción superficial:

(7)

Y el esfuerzo cortante de forma de lecho:

8

(8)

Donde h y l son la altura y longitud del lecho. Se hacen cálculos iterativos hasta

que la suma del esfuerzo cortante por fricción superficial más el esfuerzo cortante

de forma de lecho sean iguales al esfuerzo cortante del fondo del canal de tal

forma que se satisfaga la ecuación de momentum. Por último, se hace una

revisión de la capacidad de transporte de sedimentos para ver si habrá erosión o

acreción en el fondo del canal.

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CONCLUSIONES

El movimiento de sedimentos a través del lecho genera un cambio de forma en

este. La forma que este adopte dependerá del tipo de flujo que pase a través de

él. Para flujos subcriticos se puede tomar forma de lecho plano, rizos y dunas. En

la condición de flujo crítico se presentan ondas estacionarias que se encuentran

en fase con el perfil de la superficie de flujo. Cuando el flujo es supercrítico pueden

presentarse antidunas, rapidas y cuencos.

Para el diseño de canales erosionables con transporte de sedimentos el parámetro

de Shields es esencial puesto que nos define un valor critico en el que el canal

deja de ser estable e inicia con la determinación de las características del canal y

la selección de caudal de agua y tasa de transporte de sedimentos, y

posteriormente se calcula la velocidad media y el esfuerzo cortante del fondo del

canal. La idea es que el canal cumpla con la ecuación de momentum de tal forma

que el esfuerzo cortante por fricción superficial y de forma de lecho sean iguales al

esfuerzo cortante de fondo. También, el transporte de sedimentos no debe

exceder la capacidad del canal.

Teniendo estos conceptos claros es probable que nos encontremos capacitados

para el diseño de canales erosionables ya sea sin sedimentación (haciendo que el

valor del parámetro de estabilidad o parámetro de Shields no supere el valor

crítico) o con transporte de sedimentos, que tengan un buen desempeño.

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BIBLIOGRAFIA

1.] VEN TE CHOW, Hidráulica de canales abiertos.Primera edición. Editorial

McGraw Hill. 1994.

2.] CHANSON, Hubert. (2002). Hidráulica del Flujo en Canales Abiertos. Parte 2: Introducción al Transporte de Sedimentos en Canales Abiertos. Capítulo 7: Transporte y propiedades del sedimento. MC GRAW HILL; Bogotá. ISBN: 958-41-0256-7.

3.] http://transportesedimentos.tripod.com/esp/indice.htm;Fecha de visita:

24/10/13 Hora: 15:42

4.] http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/transportesedime

ntos/transpoertesedimentos.html; Fecha de visita: 24/10/13 Hora: 16:20

5.] Figura1:http://www.google.com.co/imgres?sa=X&biw=1160&bih=604&tbm=

isch&tbnid=Y_qn_4XxOdR5IM:&imgrefurl=http://transportesedimentos.tripo

d.com/esp/1_8.htm&docid=l3ILa_37o7vDWM&imgurl=http://transportesedim

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