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PARTE 2: HIDRÁULICA FLUVIAL
NOCIONES BÁSICAS CON RELACIÓN EN LOS ESTUDIOS DE INGENIERÍA FLUVIAL
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Hidráulica De Flujos En Canales Abiertos • El régimen fluvial en ríos aluviales
depende de las características de los flujos y del transporte de sedimento.
• Parametros hidráulicos claves son la
fuerza de arrastre, la velocidad del flujo, la resistencia al flujo , la pendiente.
• Las teorías de flujos en canales abiertos han sido desarrollados para fondo fijo.
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Fuerza De Arrastre • Es una noción bastante compleja. • No existen métodos para medirla. • Los cálculos son basados en hipótesis muy
primitivas y no toman en cuenta la estructura real del flujo.
• La formula usual es τo = ρ g R Sf
τo la fuerza de arrastreρ peso específicog aceleración de gravedadR radio hidráulicoSf pendiente de la línea de energía
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Velocidad Del Flujo • La velocidad del fluvo en canales naturales
es turbulente. • Los cálculos hidráulicos cuentan con la
velocidad promedia, y el efecto de la turbulencía se incluye en coeficientes tales como de resistencia al flujo, y de dispersión o de mezcla.
• El perfil vertical de velocidad tiene relación con la fricción al fondo y con la turbulencia.
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Velocidad Del Flujo • La formula de un perfil de velocidad en una
vertical es logarítmica, cual ley fue determinada en laboratorio en condiciones de flujo bidimensional.
• La forma del perfil de velocidad depende no solamente de la “rugosidad” del fondo, también de otros factores tales como la distribución spacial de las corrientes, o los flujos secundarios (tal como helicoidales), etc.
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Velocidad Del Flujo • Existe una relación teórica entre la forma
del perfil vertical de la velocidad y la fuerza de arrastre, el parámetro básico para los cálculos del transporte de sedimento.
• El ángulo de la recta obtenida por la relación de la velocidad en función del logarítmo de la profundidad da la velocidad de arrastre V*.
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Velocidad Del Flujo • Cuando el perfil vertical de velocidad tiene
forma logarítmica, la fuerza de arrastre se obtiene por multiplicación del peso específico con el cuadrado de la velocidad de arrastre . V*²
• La fuerza de arrastre calculada con el perfil de velocidad puede ser muy diferente de la misma calculada por la formula con la pendiente de la línea de energía.
ρρ
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Resistencia Al Flujo
• La resistencia al flujo es el resultado de los procesos de disipación de energía mecánica en calor.
• Este proceso de disipación depende de la fricción del flujo al fondo y en las orillas, pero también de la turbulencía y de otros procesos internos.
• La estructura de la turbulencia depende de la rugosidad del fondo y de la forma del lecho.
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Resistencia Al Flujo • En teoría, existe una capa límite laminar, debajo del flujo
turbulente, determinante para la resistencia al flujo.
• sin embargo esta capa no existe realmente en flujos naturales en ríos, cierto no cuando el lecho está móvil, con transporte de sedimento.
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La Pendiente • En un río natural, la pendiente de la
superficie o de la línea de energía varía bastante debido a las diferentes perdidas de carga.
• Estas variaciones no se observan fácilmente; hay tambien pendientes transversales.
• La observación de pendientes locales puede dar indicaciones muy útiles en un análisis del comportamiento de un río.
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Hidráulica De Flujos En Ríos Aluviales
• Los mecanismos de transporte de sedimento son muy complejos y no existe una teoría aceptada por todos expertos.
• La mayoría de las teorías han sido desarrolladas con base en ensayos de laboratorio, en condiciones muy diferentes de las que encontramos en el campo.
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El Sedimento • Un río puede transportar materiales muy
diversos, tales como arcilla, arena, piedras, rocas, arboles, hierbas, etc.
• El sedimento tiene mayor tamaño en las partes altas de las cuencas . En la partes media y baja, el sedimento tiene raramente tamaño mayor a grava.
• Sedimento con el tamaño de las particulas menores a arcilla tiene cohesión.
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Mecanismos De Transporte De Sedimento
• Carga de material de fondo: es todo material sólido que es parte del lecho. • Carga de lavado: es el material traído por el flujo y que no baja
al fondo; es parte de la calidad del agua.
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Mecanismos De Transporte De Sedimento
• Transporte de fondo: movimiento de partículas sólidas en contacto con el lecho.
• Transporte en suspensión: movimiento de partículas sólidas suspendidas en el agua.
• Transporte en saltatión: movimiento de partículas sólidas del fondo que saltan hasta cierta altura para caer de nuevo al fondo.
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Crítica De Las Teorías De Transporte De Sedimento
• Mediciones de campo han demostrado que no se distinga tán fácilmente el transporte por arrastre del transporte en suspensión.
• Poca teorías permiten contar con transporte de material de granulometría extendida.
• Proponemos la defición de carga morfológica: todo material que participe a los cambios de forma del lecho.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• El entendimiento de la formación de las formas del lecho es muy limitado, basado pricipalmente en ensayos de laboratorio.
• Las formas del lecho cambian en permanencia en función de las condiciones hidráulicas, pero más de la diferencia entre la capacidad de transporte y la tasa de transporte del sedimento.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• La clasificación usual ha sido establecido con base en estudios en el Laboratorio de Fort Collins (EUA, desde los años cincuenta).
• Los pocos estudios con mediciones de campo han mostrado los limites de las teorías.
• No hay formulas teóricas satisfactorias para predecir las formas del lecho o para calcular la resistencia al flujo.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• Risos • Risos sobre dunas • Dunas • Dunas suavisadas • Fondo plano • Antidunas • Antidunas con
rompimiento de la onda
• Rápidos y remansos
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• Relación entre la forma del lecho, el poder del flujo por superficie unitaria y el diámetro de caída medio de las partículas sólidas.
• Los risos no existen para partículas de más que 0.65 mm.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• La resistencia al flujo aumento en el régimen inferior, desde risos hasta dunas.
• La resistencia al flujo cae en la transición. • La resistencia aumento nuevamente en el régimen superior.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
• Antidunas en un río con flujo supercrítico, en un canal estrecho entre la orilla y una barra central.
• La antidunas no pueden aparecer con un número de Froude inferior a 0.8.
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Resistencia Al Flujo En Canales De Fondo Móvil
La antiduna puede mantenerse imóvil, o moverse aguas arriba, o aguas abajo. La fotografía es un ejemplo de antiduna con rompimiendo de la onda.