OBRAS FLUVIALES 1. INTRODUCCIÓN - · PDF filecÁtedra de obras hidrÁulicas obras fluviales

CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS OBRAS FLUVIALES

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OBRAS FLUVIALES

1. INTRODUCCIÓN

Los ríos son elementos naturales que captan las aguas de una cuenca y las transportan, enrégimen a superficie libre, hasta su desembocadura. La hidráulica fluvial estudia laintervención del hombre sobre los ríos, ya sea para la adecuación al sistema deaprovechamientos 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 imprescindibledestacar, que los canales son obras de ingeniería como cualquier otra infraestructura. Uncanal 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 canalcontemple 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 essiempre variable, según el régimen hidrológico de la cuenca, y puede ser a una escala detiempo estacional o bien restringido a un evento meteorológico. En general, la forma delcauce de un río responde a ciertos caudales de elevadas recurrencias (pero noextraordinarias). Además, existen las crecidas extraordinarias las cuales puedentransformar la naturaleza o el curso del río (corte de meandros) otorgándole al mismo uncomportamiento dinámico que responde a ciertos grados de libertad.

Otra gran diferencia es que el río, al ser parte del medio ambiente, se relaciona con elmismo y conforma a su alrededor un ecosistema húmedo, apropiado para la vida vegetal yanimal.

Un río mantiene un flujo bifásico de agua y sedimento (procedente del cauce o de lacuenca), en el cual si no existen cambios espaciales o temporales, simplemente el ríoaporta una cierta cantidad de ambas fases. La hidráulica fluvial intenta ser una herramientapara el ingeniero en la cuantificación de los cambios en la fase sedimento, que le permitandar 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 suelenser 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 altasvelocidades de erosión mediante una sucesión de régimen lento y rápido, como se observaen la naturaleza. Existe una resistencia al flujo dada por el tamaño del grano del materialque 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 sometidosa crecidas, situación que crea las mayores solicitaciones modificando el equilibrio delcauce, 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. Lasmodificaciones del cauce de estos últimos son mas lentas debido a la mayor resistencia a laerosión. 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 seencuentra en sus principios.

Una de las propiedades de mayor relevancia de las partículas de un lecho granular es elpeso. En general, los cauces naturales están formados por partículas de rocas y mineralescuya densidad “ρs” tiene poca variación. Un valor medio adoptado es ρs = 2.65 o tambiénla densidad relativa (respecto del agua) ρs/ρ = 2.65. La densidad relativa sumergida “∆” esuna relación de gran uso en la Mecánica del Transporte de Sedimentos y responde a lasiguiente expresión:

65.1≅−

=∆ρ

ρρ s (1)

Debido a esta relación aproximadamente constante de los cauces naturales, la propiedad demas 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 unapartícula ideal mostradas en la figura 1(siendo a > b > c) la medida “b” es ladimensión decisiva para que un granopase 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 undeterminado tamaño (tamiz), correspondientes a las distintas dimensiones de granos querepresentan una muestra, constituye la distribución granulométrica (ver figura 2).

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

0 .01 0 .1 1 1 0 1 0 0

Diámetro [mm]

% P

asan

te e

n P

eso

R ÍO D E L L A N U R A R ÍO D E M O N T A Ñ A

Figura 2: Ejemplo de CurvasGranulométricas.

Uno de los diámetros más empleados esel D50. En términos estadísticos esinteresante definir la varianza de unamuestra como:

∑ −⋅= 22 )(% mii DDPσ (2)

donde: Dm es la media aritmética de losdiámetros de la muestra, Di es el diámetrocorrespondiente a un porcentaje depasante Pi.


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Los ríos de montaña están compuestos generalmente por una mezcla de tamaños desdefinos a gruesos, el desvío estándar es 3>σ y se dice que la granulometría es extendida oque el material es bien graduado. Para los ríos de llanura en cambio, 3<σ lagranulometría 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 escalasmas 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 024Bolos

Pequeños 256 - 512

Grandes 128 - 256Cantos

Pequeños 64 - 128

Muy gruesa 32 - 64

Gruesa 16 - 32

Mediana 8 - 16

Fina 4 - 8

Grava

Muy fina 2 - 4

Muy gruesa 1 - 2

Gruesa 0.5 - 1

Mediana 0.25 - 0.5

Fina 0.125 - 0.25

Arena

Muy fina 0.062 5 - 0.125

Stokes

Grueso 0.031 25 - 0.062 5

Mediano 0.015 625 - 0.031 25

Fino 0.007 812 5 - 0.015 625

Limo

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 56Arcilla

Muy fina 0.000 244 141 - 0.000 488 28

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 referenciasbibliográficas citadas, de las cuales se destacan entre otros García Flores et al (1995) yWeber (2000).

Las propiedades de la fase agua son bastante conocidas por lo que sólo serán aquíenumeradas: densidad ρ, peso específico γ, viscosidad dinámica µ, viscosidad cinemáticaν, índice de compresibilidad y elasticidad volumétrico, etc.

Respecto de las propiedades de la mezcla bifásica se destaca la concentración, la cualequivale a la relación entre volumen de sólidos con volumen total de la mezcla, pesoespecífico 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 algúnmomento una partícula es desplazada por la fuerza de arrastre del agua. Conocer en quecondiciones ocurre este fenómeno, es el problema denominado Inicio o Umbral delMovimiento del fondo, el cual permite establecer el comienzo y la finalización del flujobifásico.

El estado del arte sobre este tema proviene fundamentalmente de estudios experimentalesen laboratorios y con arenas uniformes, los que paralelamente han sido apoyados en teoríasmecanicistas y análisis dimensionales, pero existe un cierto consenso en torno al resultadoobtenido 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 elfondo τo. La resistencia de la partícula a ser movida puede relacionarse con su pesosumergido, el cual es función del peso específico sumergido (γs-γ) y el diámetro D quecaracteriza el volumen de la partícula. Con estas tres variable puede formarse el parámetroadimensional τ o tensión de corte adimensional.

Ds

o

)( γγτ

τ−

= (3)

Esta relación compara la fuerza que tiende a producir el movimiento (acción de arrastreproporcional a τoD

2) con la fuerza que procura estabilizarlo o mantenerlo en reposo (accióndel peso proporcional a (γs-γ)D3).

Analizando el equilibrio de fuerzas en un tramo de cauce de longitud diferencial, en elsentido de la corriente la componente del peso del volumen de control es contrarrestada porla 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 específicopor el volumen de control dxAW ⋅⋅= γ donde “A” es el área transversal del cauce. La

componente en la dirección del flujo θγ sen⋅⋅⋅= dxAWx . Si el ángulo “θ” es pequeñoS≈≈ θθ tgsen 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 seopone al escurrimiento dxPo ⋅⋅τ , donde “P” es el perímetro mojado del cauce. Analizando

el equilibrio de ambas fuerzas resulta dxSAdxPo ⋅⋅⋅=⋅⋅ γτ , resolviendo se obtiene:

SRo ⋅⋅= γτ (4)

donde “R” es el radio hidráulico del cauce ( PAR = ). Para cauces muy anchos (B > 20 h)

entonces R≈h. La ecuación 4 puede escribirse:

Sho ⋅⋅= γτ (5)

La acción del agua sobre el fondo puede representarse también por una velocidadcaracterística denominada “velocidad de corte u*”. De los conocimientos adquiridos enMecánica de los Fluidos, esta velocidad se define a partir de la tensión τo como:

ρτ ou =* (6)

o bien:

2*uo ⋅= ρτ (7)

El parámetro adimensional τ definido en la ecuación 3 puede expresarse en términos de lavelocidad de corte como:

Dg

u

Dg

u

D

u

ss ∆=

−=

−⋅

=2

*2

*2

*

)()(ρ

ρργγρ

τ (8)

Esta última expresión tiene la estructura de un número de Froude. Además, con lavelocidad de corte es posible definir otro parámetro adimensional denominado número deReynolds granular “Re*”.

υDu*

*Re = (9)

Es importante destacar que los flujos enla naturaleza son turbulentos ydependiendo del espesor de la subcapaviscosa “δ” respecto del diámetro “D” delas partículas del lecho, el movimientopodrá ser turbulento a pared lisa (δ > D) orugosa (δ > D) según muestra la figura 4.

Figura 4: movimiento turbulento liso(izq.) y rugoso (der.).


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El espesor nominal adimensional de la subcapa viscosa se puede relacionar con el Re* de lasiguiente forma:

δD

6.11Re* = (10)

por lo tanto

**

6.11Re

6.11u

D υδ == (11)

de la ecuación 11 se observa que si Re* = 11.6 entonces δ = D encontrándose el flujo enuna situación particular entre pared lisa y rugosa.

El diagrama de Shields (figura 5) muestra la relación entre los parámetros adimensionalesτ y Re* descriptos anteriormente. Por debajo de la curva existe reposo; mientras que lospuntos por encima de la curva corresponden al movimiento desarrollado. En realidad, estediagrama no es una relación determinística, sino que existe una zona o banda alrededor dela curva en la cual existe una alta probabilidad (∼ 40 a 50 %) de inicio de movimiento. Aeste valor del parámetro adimensional se lo denomina como tensión crítica “τc”.

Figura 5: Diagrama de Shields.

El número de Reynolds granular refleja la relación entre las fuerzas de inercia y viscosasen el entorno de un grano, es decir, el grado de turbulencia. Al aumentar Re* elmovimiento es más turbulento alrededor de la partícula y la curva de Shields tiende a serasintótica horizontalmente (situación análoga al problema de fricción en tuberías del ábacode Moody). El valor de la tensión adimensional τ en este régimen es independiente delRe* 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).

PARED RUGOSAPARED LISA

11.6

MOV.TURB.LISO

MOV. TURB.DE TRANSICIÓN

MOV. TURB.RUGOSO


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2.3 Acorazamiento

Una limitación de la teoría del diagrama de Shields es que dicha curva fue deducidamediante experimentos de laboratorio para materiales granulares finos y de granulometríauniforme.

En la naturaleza y sobre todo en ríos de montaña, el lecho esta constituido por una mezclade materiales de distintos tamaños, cada uno de los cuales posee una tensión críticadiferente. Por lo tanto, una misma corriente puede desplazar mas fácilmente a losmateriales finos que a los gruesos.

Mediante este razonamiento puede explicarse un desplazamiento selectivo de las partículasmás finas, de manera que un material originalmente bien graduado sometido a un régimenpermanente, al cabo de un tiempo presentará una frecuencia mayor de gruesos en lasuperficie. 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 presentapartículas de grano mayor. También influye en el inicio del movimiento del lecho ya quees necesario primero destruir la coraza para poder mover en material mas fino que haydebajo.

Existen estudios empíricos o semi-teóricos que analizan el inicio del movimiento de unamezcla y establecen que las partículas gruesas se ponen en movimiento para una esfuerzode corte menor del que necesitaría si estuviera acompañada de partículas de su mismotamaño. Inversamente, las partículas más finas necesitan un esfuerzo mayor para ponerlasen movimiento.

Esto significa que una mezcla presenta un comportamiento conjunto en el umbral delmovimiento, retrasando o dificultando el desplazamiento de las partículas finas, yanticipando o facilitando el de los granos más gruesos.

La posibilidad de acorazamiento de un lecho puede juzgarse por medio de la desviacióngranulométrica típica σ . En general, para valores de 3>σ puede existir este fenómeno.


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2.4 Formas de Fondo

Cuando es superado el umbral del movimiento cττ > , el fondo de un río puede presentar

una configuración ondulada siguiendo las llamadas formas de fondo. Este fenómeno tienegran importancia porque participa en el transporte de sedimentos e interviene en laresistencia al flujo (rugosidad). Las formas de fondo ocurren en lechos de arena, mientrasque en ríos de grava o de materiales gruesos y de granulometría extendida se presentan enforma limitada o directamente no se producen.

Al comenzar el movimiento en un lecho de arena e ir aumentando la velocidad sepresentan las siguientes formas: rizos, dunas, fondo plano y antidunas. Los rizos o arrugasson pequeñas ondulaciones triangulares con altura máximas del orden de centímetros ylongitud de onda del orden de decímetros. Sólo aparecen con arena fina (< 0.6 mm) y supresencia 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 aguasarriba es muy suave y el de aguas abajo es muy marcado. El tamaño de la duna es un ordende magnitud mayor que el de los rizos y además mantiene una proporción con el tirante deagua. La superficie libre se ondula suavemente en oposición al fondo (descenso sobre lacresta y ascenso sobre el valle) lo que indica que el régimen hidráulico es lento. Las dunasse desplazan hacia aguas abajo por el avance de los granos sobre la pendiente suave paraquedar atrapados en el valle, o bien ser suspendidos dentro de la masa líquida debido a lagran turbulencia de estos sectores.

Aumentando la velocidad de la corriente, las dunas se alargan hasta ser barridas, quedandoel lecho plano. Con una velocidad mayor, el lecho se ondula en formas asimétricasllamadas antidunas cuya forma puede migrar hacia aguas arriba a pesar de verificarse unfuerte transporte de sedimentos aguas abajo. La superficie libre presenta una fuerteondulación en correspondencia con el fondo, lo que indica que el régimen hidráulico esrápido.

La evolución de este régimen conduce a la aparición de crestas de espuma y finalmenteverdaderos 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 granpendiente. Este hecho sugiere que el régimen rápido no ocurre en forma estable yprolongada dado que el fondo es deformable y móvil. La secuencia de las formas de fondodescriptas 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 muysimple emplea las mismas variables adimensionales del diagrama de Shields, con lo queresulta 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 yque son sustituidas por dunas y lecho plano para flujo mas desarrollado. Otros autorespresentan 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 porforma. Ésta es lógicamente mayor con las dunas que con rizos o fondo plano. Por otrolado, este último coincide aproximadamente con el régimen crítico (Fr = 1). En la figura 9se observa la tensión total debida a las fuerzas de rozamiento en el fondo según laevolución 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 diversosmétodos empíricos de los cuales se destacan el de Einstein, Einstein-Barbosa y Engelund-Hansen. 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 elmodo de transporte y según el origen del material. Según el modo de transporte, elsedimento puede ser transportado en suspensión sostenido en el seno del flujo por laturbulencia, o bien por el fondo rodando, deslizando o saltando (en correspondencia con eltamaño del grano: de grueso a fino respectivamente).

Una partícula inicialmente en reposo puede ser transportada rodando o saltando cuando sesupera el umbral del movimiento, pero si la corriente sigue creciendo, puede ser luegotransportada en suspensión. Cuanto más intensa es la corriente mayor es le tamaño delmaterial que puede ser puesto en suspensión y transportado de ese modo. Esta ideaconduce a observar que el sedimento cuyo origen es el cauce puede ser transportado deambos modos: en suspensión y por el fondo.

Otro origen posible del material transportado es la cuenca hidrográfica del río. Estematerial es muy fino (limos y arcillas D < 0.0625 mm), es transportado siempre ensuspensión y se denomina carga de lavado (de la cuenca) o foránea (al cauce). Laclasificación del transporte de sedimentos se resume en la tabla 1.

Tabla 1: Clasificación del Transporte de Sedimentos.

Origen del Material Modo de Transporte

LECHO (qs) DE FONDO• Rodamiento• Deslizamiento• Saltación (debido a lasFormas de Fondo)

Material grueso

Material fino

CUENCA (qw) 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 deun río y dentro de éste la carga de lavado o foránea puede ser la más importante. La cargade lavado está relacionada a las características hidrológicas de la cuenca: tipo de suelos ycobertura, topografía, precipitaciones, etc. el material transportado en suspensión tienegran repercusión en la desembocadura de un sistema fluvial: formación de deltas ycolmatación de embalses.

El transporte de fondo en cambio, tiene la mayor repercusión sobre el río mismo ya quecausa sus modificaciones y es por ello el interés en la hidráulica fluvial. El transporte defondo (material del cauce) está relacionado a las características del cauce: ancho,pendiente, granulometría, caudal, etc.

qsf

qss


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La separación de transporte de fondo a suspensión no es abrupta en la naturaleza, es decirno existe un límite exacto, pero si se cuenta con criterios empíricos tales como el deRaudkivi (ver tabla 2) que permite tener una idea de este fenómeno en función de larelación entre la velocidad de caída de las partículas “ω” con la velocidad característicacerca del fondo “u*”.

Tabla 2: Criterio de Raudkivi para separación de modos de transporte de Sedimentos.

6 > ω/u* > 2 Rodamiento, deslizamiento2 > ω/u* > 0.6 Saltación

0.6 > ω/u* > 0 Suspensión

• Concepto de equilibrio del fondo

Un lecho se encuentra en equilibrio en presencia de transporte de sedimentos cuando nosufre modificación en su cota de fondo. Las variables que entran en juego paraproporcionar este equilibrio son numerosas. Con un propósito sólo cualitativo, Lane en1955 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 desequilibriode 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 enequilibrio puede haber exceso o defecto de material sólido, respondiendo mediante unasedimentación o erosión respectivamente.

Esta igualdad es relativa a la pendiente de cauce, y se puede establecer la pendiente deequilibrio como aquella que compensa los caudales líquidos y sólidos (por ejemplo muchossólido y poco agua se equilibran formando una gran pendiente).

El equilibrio depende también del tamaño del material. Por ejemplo, el mismo caudalsólido de partículas mas gruesas y el mismo caudal de agua se equilibra con una mayorpendiente, y viceversa.


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• Cuantificación del transporte

La cuantificación del caudal sólido de un río puede hacerse mediante mediciones (ya seandirectas o indirectas) o con el empleo de fórmulas de transporte. Las ecuaciones o fórmulasde transporte tratan de cuantificar el caudal sólido de una corriente en función de suscaracterísticas 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 unaverdadera 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 basadasen 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 quefueron obtenidas cada una de las variables y sus relaciones.

Otra limitación de las ecuaciones de transporte proviene de que son fórmulas de capacidadde transporte, es decir, de transporte en potencia. Para que el transporte real seacomparable a la capacidad de transporte es necesario que exista sedimento disponible en lacorriente. Cuando existe material disponible el transporte real y la capacidad tenderán acoincidir en términos medios de espacio y tiempo. En cambio, si no hay disponibilidad dematerial el transporte real será inferior a la capacidad.

Para un flujo dado, la capacidad de transporte (el caudal sólido transportable) es menor amayor tamaño de las partículas. Lo mismo puede suceder con la disponibilidad, es decir, elvolumen por unidad de tiempo que la parte superior del cauce o la cuenca puedeproporcionar al tramo considerado.

Entre ambas magnitudes puede ocurrir lo ilustrado en la figura 11, en tal caso, laaplicabilidad 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 lacapacidad 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 explícitasentre en caudal sólido unitario qsf y las características hidráulicas del cauce. Muchasresponden a una relación funcional del tipo:

)( Fqsf co ττ −= (13)

donde cτ es la tensión crítica (Shields) y oτ 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 delmovimiento.

En general, ante solicitaciones máximas (crecidas) las fórmulas arribadas por diferentesautores muestran cierta similitud en que este funcional “F” responde a una potencial conexponente 3/2 (García, 1999).

Tanto para la cuantificación del transporte de fondo como la carga de lavado existe unagran cantidad de ecuaciones de diferentes autores. Estas ecuaciones son ampliamentedesarrolladas en diversas bibliografías de las cuales se destaca principalmente la de Mazaet 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 configuracióndel cauce en planta, la geometría de las secciones transversales, las formas de fondo y lascaracterísticas del perfil longitudinal.

Las teorías y planteos analíticos para ríos se han desarrollado para casos idealizados. Losdatos empleados, ya sean de campo o laboratorio, corresponden a canales rectos consecciones transversales casi invariantes, en los cuales se supone que el caudal es casiconstante y se mantiene por grandes periodos.

Efectivamente, los ríos reales muestran muchas de las características idealizadas en loscanales estables que merecen la atención del ingeniero; sin embargo existen variasdiferencias entre ambos que es necesario conocer para la aplicación satisfactoria de dichasteorías.

3.1 Clasificación de los Ríos

Para facilitar el estudio, se han clasificado a los ríos según diferentes puntos de vista, locual permite ubicar fácilmente a cualquier cauce para determinar sus principalescaracterísticas. Debe tenerse e cuenta que en la naturaleza es posible encontrar situacionesintermedias 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 ríosjóvenes se encuentran en cauces de montaña, tienen pendientes altas y sección transversaltipo “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, laerosión de las márgenes ha reemplazado a la erosión de fondo. Estos ríos son estables y lasección transversal de cada tramo es capaz de transportar la carga de sedimento en todo surecorrido.

Los ríos viejos se encuentran en valles amplios y planicies cuyo ancho es 15 a 20 vecesmayor que el ancho de meandros. Las pendientes son muy bajas y forman depósitosnaturales de sedimentos en las márgenes. Frecuentemente se encuentran zonas de pantanosy/o lagos con formas de herradura que son restos de meandros abandonados que fueroncortados en forma natural.

3.1.2 Según la Condición de Estabilidad

a) Estabilidad Estática: cuando la corriente es capaz de arrastrar sedimentos pero nopuede mover las partículas o elementos de las orillas. Por ejemplo en márgenes rocosaso con suelos de alta cohesión.

b) Estabilidad Dinámica: cuando las variaciones de corriente, materiales del fondo y delas orillas y los sedimentos transportados han formado una pendiente y una sección


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transversal que se mantienen en el tiempo. En estas condiciones, el río sufredesplazamientos laterales continuos en las curvas, con erosiones en las márgenesexteriores y depositación en las interiores. Todos los caudales, antes de producirse undesborde, escurren por un único cauce que no tiene islas o bifurcaciones. Por ejemploríos de planicie formados por un único cauce.

c) Inestabilidad Dinámica: el río escurre por un solo cauce pero se presenta cuando eldesplazamiento lateral de los meandros es muy intenso y por lo tanto, el corte naturalde ellos ocurre frecuentemente. Por un lado, el río trata de desarrollar su pendiente deequilibrio al desarrollar sus meandros y por otra, éstos se estrangulan rápidamente y secortan. El río no alcanza a estabilizar su pendiente.

d) Estabilidad Morfológica: este grado de estabilidad posee el concepto más amplio. Encualquier cauce natural, la pendiente de un tramo cualquiera, el ancho y el tirante de susección transversal, así como el número de brazos en que se divide el cauce, dependendel caudal líquido que escurre anualmente y de su distribución, de las características delos materiales que componen el lecho y las orillas, y de la calidad y cantidad delsedimento que es transportado. En otras palabras, cualquier corriente natural noalterada por factores humanos tiene estabilidad morfológica. Un cauce que en formanatural 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 D/S FrAlta Montaña > 10 > 1Montaña > 7 0.7 a 1Faldeo o Piedemonte > 6 0.45 a 0.7Intermedio > 5 0.2 a 0.45Planicie (con cauce arenoso)

Río Caudaloso > 2 0.44 a 0.55Río poco Caudaloso > 1 0.14 a 0.44

Donde: D diámetro medio de las partículas de fondo [m]; S pendiente del cauce [m/m] y Frnúmero 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 unavariación en el caudal (ver figura 12).

i. Si sólo varia el tirante, se dice que existe 1 GL (por ejemplo un canal revestido dehormigón 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).


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iii. Si además del tirante y la pendiente, también pueden alterarse las márgenes yajustarse al ancho, se dice que el cauce tiene 3 GL (por ejemplo la mayoría de loscauces 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 caucescon 3 GL cuando llegan a formar meandros. En general, se considera que las corrientesnaturales tienen 3 GL, y que si desarrollan meandros es porque la pendiente de la planiciees mayor que la pendiente hidráulica del escurrimiento, y por lo tanto, se ven obligados aaumentar la longitud de su recorrido, lográndolo al erosionar las márgenes y desplazarselateralmente.

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 partículassueltas. Pueden subdividirse a su vez según la clasificación dada en la Tabla 1 obien según la distribución granulométrica:

i. Bien graduados o con granulometría extendida: 3>σ existe la posibilidadde acorazamiento;

ii. Mal graduados o de granulometría uniforme: 3<σ


17

3.1.6 Según el Tiempo que Transportan Agua

a) Ríos Perennes: estas corrientes transportan agua durante todo el año y están siemprealimentadas por el agua subterránea. Son propios de climas húmedos.

b) Ríos Intermitentes: transporta agua en las épocas de lluvias cuando el nivel freáticoasciende. En épocas de sequías el río no transporta agua excepto cuando ocurre unatormenta. Son propios de climas semiáridos.

c) Ríos Efímeros: aquellos que sólo llevan agua bajo episodios de fuertesprecipitaciones, manteniéndose secos el resto del tiempo. El nivel freático seencuentra siempre debajo del lecho, y es el río el que alimenta a losalmacenamientos 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 régimenhidráulico.

a) Torrenciales: S > 1.5 %

b) Torrentes: S > 6 % en éstos se abandona la premisa de que el flujo tiene una faselíquida y otra sólida, ya que la cantidad de sólidos transportados es tal que elcomportamiento 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:

Longitud del ThalwegP =

Longitud del Valle (14)

a) Cauces Rectos: normalmenteocurre en pequeños tramos y sontransitorios ya que cualquierperturbación produce flujostransversales que inician laformación de curvas o meandros.P < 1.2. En general, los tramosrectos se presentan cuando el ríoescurre a lo largo de una falla

geológica o cuando existe algunamodificación de tipo antrópica.

Figura 13: Cauce Recto.

b) Cauces Sinuosos: 1.2 < P < 1.5


18

c) Cauces con Meandros: P > 1.5.estos cauces presentan curvasalternadas unidas por tramosrectos y cortos. La pendientenormalmente es baja. Los tirantesen los tramos rectos son menosprofundos que en las márgenescóncavas.

Figura 14: Cauce con Meandros.

d) Cauces Trenzados: no presentanun solo cauce sino que se dividencontinuamente en varios caucesse entrelazan y se vuelven aseparar. Los cauces son ampliosy las márgenes no están biendefinidas. Para caudales bajosexisten dos o más caucesprincipales entrelazados y seforman cauces secundarios. Encrecidas, el agua cubre todos loscauces y grandes cantidades desedimentos son depositadosrellenando cauces antiguos.

Generalmente, estos cauces tienenpendientes altas, el material esgrueso y llegan grandes cantidadesde sedimentos. La principalcaracterística de estos cauces es queestán sujetos a un proceso desedimentación.

Figura 15: Cauce Trenzado.

En la naturaleza se distinguen dos morfologías fluviales típicas: el trenzado oanastomosado y el meandriforme, ambos ya descriptos. Existen otras formas menosfrecuentes en los cauces y que se generan según las características de ciertos lugaresespecíficos. A continuación se mencionan algunas de las mas importantes.

e) Cauces con Islas: se forman islas en su interior, las cuales pueden desplazarsehacia aguas abajo, o bien si permanece estable por varios años son cubiertas porvegetación.

f) Cauces en Estuarios: se presentan en las desembocaduras de los ríos en losocéanos y están altamente influenciados por las mareas.

g) Cauces en Pantanos: normalmente son muy amplios por no existir pendiente o sermuy pequeña, además presentan zonas muertas y saturadas por altos nivelesfreáticos. Los tirantes son reducidos y se genera un ambiente favorable para elcrecimiento de la vegetación.

h) Deltas: son aquellos ríos que arrastran gran cantidad de sedimentos y desembocanen lagos, embalses o en el mar con mareas reducidas. El material depositado, engeneral sedimentos finos, inicialmente forma flechas paralelas a flujo, las cualesposteriormente incrementan su ancho debido a la acción del oleaje y los materialesque continúan depositándose. Al ocurrir grandes crecidas estas flechas se rompenpor donde sale parte del flujo y se repite nuevamente el proceso descripto. Este


19

proceso genera un abanico de sedimentación cuya forma se asemeja a la letragriega ∆, de donde proviene su nombre. Las principales variables que intervienenen su formación son la temperatura, carga de sedimento, salinidad y la pendientedel río. Los deltas presentan siempre varios brazos.

i) Abanicos Aluviales (o conos de deyección): son depósitos de sedimento cuyaforma se asemeja a un segmento de sección cónica, que visto en planta se parece aun 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 conpendientes fuertes. Ocurren en el punto donde la corriente pasa de un cauceestrecho 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, lacorriente deposita grandes cantidades de material, parte del cual es arrastrado porcrecidas posteriores. El flujo en los canales aguas bajo del ápice escurre con tirantesy 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 deerosión, sedimentación o en equilibrio. Una clasificación importante relacionada a estosaspectos es la propuesta por Schumm en 1963 la cual se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4: Clasificación de cauces según Schumm.

Estabilidad del CauceForma del Transporte deSedimento

M %Estable Depositación Erosión

En suspensión del 85 al 100 % 100F < 7

P > 2.1S baja

El principal depósito ocurre en lasmárgenes que origina el estrechamientodel cauce. El depósito en el fondo esmenor.

Predomina la erosión delfondo. Poca ampliación demárgenes.

En suspensión del 65 al 85 % y enel fondo del 15 al 35 %

307 < F < 25

1.5 < P < 2.1S moderada

Es importante el depósito en lasmárgenes y también en el fondo.

Es importante la erosión delfondo y la ampliación demárgenes.

De fondo del 35 al 70 % < 5F > 25

1 < P < 1.5S alta

Depósito en el fondo y formación deislas.

La erosión del fondo es baja,y la ampliación del cauce esmuy importante.

Donde: F = B/h, B ancho de la superficie libre, h tirante; P índice de sinuosidad; Spendiente longitudinal del fondo.


20

3.2 Características Físicas (o Geometría Hidráulica)

El problema de predecir o deducir la geometría de un río si se le permiten todos sus gradosde libertad ha preocupado a muchos investigadores de la geomorfología. Se cuenta conobservaciones relativamente sencillas de las características geométricas de los ríos quesugieren relaciones empíricas entre ellas.

La morfología de los cauces cambia con el tiempo y es afectada principalmente por elcaudal, el material transportado, el diámetro representativo del material de fondo, lapendiente del lecho, la relación entre el ancho de la superficie libre y el tirante, y laconfiguración de curvas.

.),,,,,,,( etcHBSDQsQtfMORFOLOGIA = (15)

Es necesario notar que la mayoría de las veces, en los factores de la expresión 15, son masimportantes sus interrelaciones que la influencia de cada uno por separado. Así porejemplo, la pendiente longitudinal, la carga de sedimento y la resistencia al movimiento deas márgenes y del fondo, son interdependientes, pues están estrechamente ligadas entre si.

A continuación se muestran algunas de las relaciones más importantes entre estasvariables.

• Pendientes, Bray en 1973 propuso:

32.038.0003634.0 −−= mQMS (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 deltamiz 200). Esta relación indica que al aumentar el caudal o al disminuir el tamaño delmaterial sólido, la pendiente disminuye.

• Sección Transversal (el mismo autor en 1982):

Deducida para lechos de grava (con posibilidad de acorazamiento) para caucesrectangulares muy anchos relaciones B/h > 50.

527.075.4 QB = (17)

31

266.0 Qh = (18)

Siendo: B el ancho promedio de la sección [m], Q el caudal pico [m3/seg] para una crecidade 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

08.1255 −== Mh

BF (19)


21

3.3 Caudal Formativo

Es el caudal que de escurrir en forma constante genera las mismas dimensiones promediode la sección transversal y la pendiente (definición dada por Inglis en 1947).

Existen varios criterios para obtener este caudal formativo. Entre los más importantes ycuya utilización es recomendada están los siguientes:

i. Capacidad hidráulica del cauce principal. Es decir, el caudal máximo capaz deescurrir por el cauce principal sin desbordar (Inglis). Esta definición se aplica a ríosde 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 caudalformativo se denomina caudal dominante Qd.

dttQs

dttQstQQ

t

t

t

td

⋅

⋅⋅=

∫∫

)(

)()(2

1

2

1 (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 unmismo intervalo de tiempo dt.

El criterio de Shaffernak establece como Qd aquel que durante los días que sepresenta 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 eltransporte 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 haciaaguas abajo de todo el meandro y b) la expansión de la curvatura del meandro, suestrangulamiento y finalmente el corte del mismo. El desarrollo de meandros incrementa lalongitud del río y por consiguiente disminuye la pendiente.

El meandro es el mecanismo natural por el cual un río ajusta su pendiente cuando la delvalle por donde fluye es mayor que la necesaria. La configuración y geometría de un caucecon meandros está determinadas por la erosión y socavación de la margen externa ocóncava y el depósito de sedimentos a lo largo de la margen interior o convexa. La figura17 muestra los parámetros principales de un meandro.


22

Figura 17: Meandros.

Lane en 1957 analizó 144 ríos y estableció una relación entre el caudal medio, la pendienteel material de fondo y de las márgenes y de la forma del río en planta. La ecuación quepropone para ríos con meandros y trenzados si el fondo es de arena, es la siguiente:

25.0

44.2−

= Q

KS (21)

Donde: S pendiente [m/m], Q caudal medio anual [m3/seg] y K un coeficiente que tiene encuenta la forma del cauce en planta. Esta ecuación se representa gráficamente en la figura18. Determinados los valores de Q y S se obtiene un punto en la gráfica. Si el punto quedabajo la recta de K = 0.0017, el río es meandroso, si queda sobre la recta de K = 0.01 serátrenzado y si está entre las dos será intermedio. Cabe destacar que la relación 21 representaun 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 dondese alojan, el meandreo es prácticamente fijo, es decir, se trata de cauces con meandros entrinchera.


23

3.5 Flujo en Curvas

Entre el interior y exterior de una curva se desarrolla una sobreelevación del nivel de aguapor causa de la fuerza centrifuga. El valor de esta sobreelevación puede obtenerse conbastante precisión mediante la siguiente ecuación:

rg

BUz

⋅⋅

=∆2

(21)

Donde: ∆z sobreelevación [m], Uvelocidad media de la corriente [m/seg],B ancho del cauce [m], g aceleración dela 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 (figura19) donde la distribución de velocidades es logarítmica, al girar sobre un mismo radio r, sedesarrolla mayor fuerza centrifuga en la superficie que en el fondo. Por causas de estasfuerzas desiguales, existen componentes de velocidad en la transversal que generan unacirculación llamada “corriente secundaria”. Esta corriente en la transversal, sumada almovimiento longitudinal producen un flujo helicoidal que forma o modela la sección en lascurvas. El lado exterior de la curva es mas profundo por efecto del descenso de este flujohelicoidal, mientras que el interior forma una suave pendiente debido a la corrienteascendente. Este proceso se esquematiza en la figura 20.

Figura 20: Corriente Secundaria – Flujo Helicoidal.


24

3.6 Ecosistema Fluvial

En la descripción de los ríos no puede faltar la consideración de su valor ecológico. Losríos, en estado natural, son ecosistemas complejos y singulares, que merecen unaprotección 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 valordepende de su diversidad biológica y esta es función de la diversidad física. Así haydiferentes hábitat para distintas especies cuando, por ejemplo, en unos lugares hay sol yen otros sombra, en uno el fondo es de gravas y en otros de barro, se suceden los pozosde aguas calmas y los rápidos, hay islas o barras o bolos emergidos e intersticiossumergidos, hay zonas de mayor y menor velocidad, etc.

2) También se debe destacar la llanura de inundación (cuando existe), cuyo valorecológico para sustentar una comunidad biológica singular como zona humedaddepende de la frecuencia de la inundación y de su duración, del nivel freático y de ladiversidad física de la llanura: depresiones, meandros abandonados, crestas, suelos dedistinto tipo. La inundación que aporta agua, sedimento y nutrientes es importante parala vida de la llanura.

3) Además, el bosque de ribera sino ha sido degradado por la agricultura o pastoreoconstituye un ecosistema de gran valor biológico. Aparte de la vegetación acuática,sumergida o semisumergida, el bosque está constituido por un estrato arbóreo deespecies caducifolias como sauces, fresnos, álamos y olmos más o menos próximos alagua 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 deenergía al sistema acuático mediante la sombra y los detritos vegetales. Actúa a modode filtro, pues retiene las partículas en suspención de las aguas de escorrentía y captanutrientes de las aguas subterráneas que afluyen al río. También cumple una función deestabilización de las orillas mediante las raíces. Es muy dinámico pues puede resultardestruido por una avenida pero rehacerse rápidamente. El bosque puede albergar granriqueza ornitológica, también en combinación con humedales.


25

4. OBRAS FLUVIALES

En el presente apartado se abordarán los conceptos principales que permitan comprender elfuncionamiento de las obras fluviales más comunes, con las que seguramente se enfrentaráun ingeniero durante su vida profesional.

Es importante destacar que existen extensas bibliografías que analizan en detalle cada unode los temas que serán desarrollados en adelante. El objetivo es dar los lineamientosgenerales y conceptos amplios que proporcionen el conocimiento para proyectar obras deingeniería fluvial. De manera que un estudio detallado de cualquier tipo de estas obrasdemandará 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 apartadosanteriores, es posible asegurar que un tramo de cauce de un río cualquiera estará sometidoa 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 necesariodefinirlos adecuadamente:

• Erosión (o degradación):descenso del nivel del lecho y/o por lo menos una de lasmárgenes se desplaza alejándose del eje de escurrimiento.

• Depositación (o sedimentación): ascenso del nivel del lecho o al menos una de lasmárgenes converge al eje de escurrimiento.

• Equilibrio (o estabilidad): puede ser estático, cuando el escurrimiento es incapaz detransportar material del lecho o de las márgenes; o dinámico,cuando la sección transversal permanece aproximadamenteconstante para diferentes periodos de tiempo.

Todas estas definiciones dependen de cual sea el periodo de tiempo (∆t) de análisis, ya queobservando un lecho antes y después de una crecida es posible que la sección no hayavariado notablemente; mientras que para un ∆t menor, es decir, durante la crecida el lechosufre 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 uncauce. 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 fenómenospueden 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 deingeniería. Para el proyecto de obras sobre ríos, por ejemplo puentes, obras de captación,estaciones de bombeo, cruce de conducciones, estabilización de márgenes, etc., elingeniero debe tomar conciencia que está interfiriendo con el desarrollo de un procesonatural. Por este motivo, el ingeniero fluvial o civil abocado al proyecto y diseño de estasobras, necesita conocer y establecer o estimar cuantitativamente esta interferencia y susposibles consecuencias.


26

Particularmente, nos ocuparemos de los procesos erosivos y principalmente de aquellosque 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 lacapacidad de transporte de una corriente en crecidas. Afecta a tramos largos del cauce yseria la única erosión en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad (a diferenciade erosión local). Este fenómeno es todavía poco conocido. Puede analizarse como eltransporte diferencial de sedimentos entre dos secciones para igual caudal líquido comomuestra la figura 21.

Figura 21: Erosión General (Qs2 > Qs1).

La magnitud de la erosión general se puede calcular, por ejemplo, a partir del criterio deinicio de movimiento ante una corriente permanente. Una vez establecida la posición de lasuperficie libre (para cierto caudal), el cálculo se realiza manteniendo fijo el nivel del aguay se desciende el nivel del lecho, aumentando de esta manera el área y disminuyendo lavelocidad, hasta que la velocidad sea incapaz de mover las partículas.

Existe una gran variedad de ecuaciones empíricas para estimar la erosión general que sededucen a partir de distintas hipótesis. Una de las mas conocidas es la de Blench, la cualparte de la teoría del régimen. El autor plantea que durante la crecida se alcanza el tirantedado por las ecuaciones régimen.

Para arenas de 0.06 < d50 (mm ) < 2

=

61

32

50

20.1d

qym (22)

Para gravas con d50 (mm ) > 2

=

121

32

50

23.1d

qym (23)

Donde: ym tirante de erosión medio [m] (desde la superficie libre hasta el fondo del lechoerosionado), q caudal por unidad de ancho [m3/seg m], el diámetro medio d50 [mm].


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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 velocidady por ende aumenta el transporte de sedimentos, el tirante aumenta y puede variar lapendiente del fondo a partir de la contracción. Este proceso se detiene cuando alcanza lasituación de equilibrio para todo el tramo co ττ ≈ y el Qs1 ≈ Qs2.

Figura 22: Erosión por Estrechamiento.

El grado de estrechamiento es considerado por la relación de contracción β:

2

1

B

B=β (24)

Para estimar el valor de esta erosión, existe una infinidad de trabajos entre los que sedestacan el de Laursen (1958 a 1963), Komura (1966), Gill (1981) y Parker (1981). Engeneral, estos autores desarrollan distintas ecuaciones según se trate de agua limpia (clearwater) o lecho vivo (live bed). Como veremos mas adelante, el agua limpia tiene mayorpotencial 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 decontracción del cauce principal y llanuras de inundación, por lo que se torna uno de losmás completos. Para lecho vivo, contracción tanto del canal principal como de la llanura deinundación, y diferentes coeficientes de rugosidad aguas arriba y abajo, Laursen propone:

2

1

217

6

1

2

1

2

k

k

m n

n

Q

Q

h

h

= β (25)

Para lecho vivo y contracción únicamente de la llanura de inundación (B1 = B2):

76

1

2

1

2

=

mQ

Q

h

h(26)


28

Para lecho vivo y contracción únicamente del canal principal:

1

1

2 k

h

hβ= (27)

En la situación de agua clara (condición de equilibrio estático), Laursen llega a estableceranalíticamente:

73

32

503

1

1

217

6

1

2

36

=

Dh

V

h

hβ (28)

donde las variables de las ecuaciones 24 a 28 significan: B1, B2, h1 y h2 anchos y tirantes enel canal principal [m], Q2 caudal [m3/seg], en la sección contraida (Q2 equivale al caudal dediseño 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 eldiámetro medio [mm].

Tabla 5: valores de los coeficientes k1 y k2.u*/ω k1 k2 Modo de Transporte del Material

< 0.50 0.59 0.066 Material en contacto con el fondo en su mayoría (rodamiento, deslizamiento).

0.50 a 2.0 0.64 0.21 Algo de material suspendido (salatación).

> 2.0 0.69 0.37 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 etal (1995), basados en la ecuación de Laursen, para lecho vivo recomiendan la siguientemodificación de la ecuación 25:

1

2

17

6

1

2

1

2

k

m B

B

Q

Q

h

h

= (29)

Esta misma circular recomienda la siguiente expresión para la condición de agua limpia:

76

23

12

2 48.1

=

Bd

Qh

m

(30)

Donde Q2 es el caudal total en la sección del puente [m3/seg], dm es el diámetro medioequivalente [mm] establecido como dm = 1.25D50.

Por otro lado, Neill en 1973 propone un proceso iterativo similar al planteado para laestimación de la erosión general. Establecido el emplazamiento del puente, se determinanlas características de la corriente aguas arriba y en la sección del puente suponiendo que noexiste erosión. Luego se comienza a descender el fondo en la sección del puente hastaigualar que la velocidad sea igual o menor a la crítica.


29

C) Erosión en Curvas

Según el proceso descripto en la sección 3.5 el lado externo de la curva presentaprofundidades mayores. Richardson en 1975 clasificó las curvas de los ríos según larelación entre el radio de curva r al centro del cauce y el ancho de la superficie libre B, enlos siguientes tres tipos:

Tipo de curva r/BLimitadas 7.0 – 8.0Libres 4.5 – 5.0Forzadas 2.5 – 3.5

En las curvas de tipo libre y limitado, el tirante crece gradualmente desde la transiciónaguas arriba de la curva, alcanzando un máximo casi en el final de la curva. En curvasforzadas, el tirante crece rápidamente al comienzo de la curvatura hasta un máximo en elsector 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 expresiónes la siguiente:

medmax hh ⋅= ε (31)

Donde: hmax profundidad máxima de la curva [m], hmed tirante medio en el tramo rectoubicado aguas arriba [m], y ε coeficiente que depende de la relación r/B dados en la tabla6.

Tabla 6: valores de ε en función de la relación r/B.

r/B ∞ 20 10 6 5 4 3 2ε 1.27 1.33 1.40 1.48 1.84 2.20 2.57 3.00

D) Erosión Local

La erosión local se explica por la acción de un flujo complejo que requiere consideracionesbi o tridimensionales de las velocidades. Se presenta asociada a singularidades uobstáculos y no afecta a las condiciones generales del flujo. Posee fuerte turbulencia ypuede desarrollar grandes vórtices.

En las erosiones locales, el flujo bifásico resulta acelerado o retardado en forma brusca porcausas de las fluctuaciones de presión, de las fuerzas de alzamiento y de las variaciones enlos 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;


30

- 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:

i- en estribos de puentesii- en espigonesiii- en pilas de puentesiv- aguas abajo de una presav- a la salida de obras de descargavi- erosión debajo de conducciones

El presente trabajo será enfocado al análisis conceptual de los fenómenos de erosión localcon el objeto de mostrar los mecanismos de socavación que el ingeniero deberá tenerpresente en el diseño de una obra. Se darán a continuación los procesos de erosión local enpilas y estribos de puentes.

• Erosión Local en Pilas de Puentes

Físicamente, el fenómeno consiste en que alrededor de la pila se dan velocidadeslocalmente mayores que las medias de la corriente. Estas altas velocidades son productodel sistema de vórtices que se originan por la presencia de la pila y son los responsables dela socavación.

Existen dos modalidades distintas de erosión local: 1) la corriente no es capaz de poner enmovimiento el material del lecho del río, pero los vórtices pueden llevar a cabo lasocavación (agua limpia). La erosión local comienza con una velocidad deaproximadamente 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 ellecho 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 unacorriente de agua limpia (clear water) el equilibrio se manifiesta cuando co ττ = y no seerosiona mas el foso. En cambio cuando existe transporte de sedimentos en la corriente, esdecir lecho vivo (live bed), el equilibrio se alcanza cuando el flujo de sedimento entrante esigual al saliente.

Curiosamente el equilibrio en el foso, para condiciones permanentes en el tiempo, esaproximadamente igual en ambos casos (ver figura 23 a). Por otra parte, la profundidadmáxima del foso parece formarse si la corriente es tal que el fondo se encuentra en el límiteentre 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 enlaboratorios, puede ser observado en otros fenómenos de socavaciones locales.


31

Figura 23: Profundidad de la erosión local.

Los elementos que aparecen en la erosión local en pilas (ver figura 24) son los siguientes:

a) Flujo descendente aguas arriba (downflow);b) Vórtice en herradura (horseshoe);c) Vórtice en estela aguas abajo (wake); arrastra el sedimento erosionado.d) 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:

( ) ( ) ( )[ ])(;,;,;,, bpilaUhflujoDlechogfluidoFh ss ρνρ= (32)

Donde: b es el ancho de la pila proyectado en la dirección del flujo; las restantes variableshan sido presentadas anteriormente. Con estas 8 variables y 3 dimensiones, es posibleestablecer 5 relaciones adimensionales. En Breusers y Raudkivi (1991) se desarrollan estas

AGUA LIMPIA

LECHO VIVO

a) b)

Generan la erosión al pie.


32

relaciones y se estudian los efectos de cada una de ellas. A manera de resumen, sepresentan estos efectos a continuación:

1- no uniformidad del sedimento, σg;2- relación tamaño de la pila vs. sedimento, b/D50;3- relación tirante aguas arriba vs. tamaño de la pila, h/b;4- alineación de la pila, b ancho efectivo, proyectado en la dirección del flujo;5- forma de la pila (rectangular, circular, ovalada, etc.).

Unos de los trabajos más recientes en erosión de puentes, Melville et al (2000), agreganalgunos 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 paracuantificar estos efectos en la profundidad de erosión. En el presente apunte sólo sepropondrán algunas de las numerosas ecuaciones empíricas establecidas para la estimaciónde la erosión local en pilas.

Richardson en 1995 propone:

43.01

35.01

65.02 FrhbKhs ⋅⋅⋅⋅= (33)

Donde: hs profundidad de erosión local en la pila [m], K coeficiente que tiene en cuenta laforma de la pila según la tabla 7, b ancho efectivo de la pila [m], h1 y Fr1 son el tirante y elnúmero de Froude aguas arriba del puente.

Tabla 7: Factor de forma para pilas uniformes

Forma KCircular 1.0Nariz redondeada 1.0Nariz cuadrada 1.1Nariz triangular 0.9

Laursen en 1958 plantea:

−

+

⋅= 11

5.115.5

7.1

111 h

h

h

h

h

b ss (34)

Donde las variables responden a las nomenclaturas y unidades descriptas anteriormente.


33

• Erosión Local en Estribos de Puentes

Tienen un proceso similar al de erosión en pilas. Algunos autores han testeado estaanalogía comparando profundidades de erosión en pilas circulares y estribos con bordessemicirculares del mismo diámetro arribando a resultados del mismo orden de magnitudpara pilas y estribos.

Lo que sí cambia el patrón de erosión es la longitud del estribo y su correspondienteobstrucción al flujo. Para estribos cortos el proceso puede observarse con claridad en lafigura 25 donde se advierte la analogía entre en vórtice principal y el vórtice en herraduramostrado 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 erosiónson similares a la de estribos cortos, excepto la componente del flujo descendente es menossignificante y se generan fuertes recirculaciones o remolinos adelante del estribo y cerca dela pared o borde del canal. Debido a la profundidad del flujo en el foso de erosión existe unflujo bidimensional aguas abajo. La actividad erosiva es mayor cerca del borde del estribodonde 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), aligual que la erosión local en pilas, plantean la necesidad de analizar relaciones entre


34

distintos parámetros y sus correspondientes efectos. Aquí se darán únicamente algunas delas ecuaciones empíricas más utilizadas.

Laursen

−

+

⋅= 11

5.1175.2

7.1

111 h

h

h

h

h

L ss (35)

Donde: L es la longitud del estribo [m] que efectivamente obstruye a la corriente (medidaen la dirección perpendicular al flujo), las restantes variables responden a la nomenclaturay unidades descriptas anteriormente.

Método de Artamanov

qks KKK

h

h⋅⋅= α

1

(36)

Donde: Kα coeficiente que depende del ángulo α que forma el eje del estribo con lacorriente y responde a la expresión 37; Kk coeficiente que depende del talud del estribo yresponde a la expresión 38; Kq coeficiente en función de la relación de caudal interceptadopor el estribo y el caudal total de diseño; responde a la ecuación 39.

αα

⋅⋅= 0028.0782.0 eK (37)k

k eK ⋅−⋅= 24.0028.1 (38)

⋅+=

Q

QiLnKq 063.1429.4 (39)

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 margenanalizada); 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 modelosidealizados de puentes. Las limitaciones se deben a:

i- fundaciones rígidas e ideales de los modelos a escala;ii- canales de laboratorio rectangulares y rectos;iii- flujo uniforme y permanente;iv- 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, lasecuaciones presentadas dan una estimación conservadora de las profundidades de erosiónlocal en todos los casos.


35

4.3 Sugerencias Generales para Diseño de Obras Fluviales

A continuación se presentan algunas recomendaciones generales de diferentes obrasfluviales con el objeto de brindar al profesional los conceptos primordiales para elproyecto. 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 alrío tras una intervención del hombre. Un encauzamiento, es cualquier arreglo ointervención 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. Estosobjetivos son múltiples y pueden estar presentes en distinto grados y combinaciones.

Los posibles objetivos de un encauzamiento son:

i- Protección frente a inundaciones (impedir daños);ii- Protección de las márgenes del río (impedir la destrucción del terreno);iii- Fijación de un cauce para el río (asegurar el lugar futuro para dicho cauce);iv- Mejorar las condiciones de desagüe (reducción del coeficiente de fricción);v- Formar un canal navegable (garantizar una profundidad de agua suficiente);vi- 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, quesufren cambios o modificaciones generalmente a mediano y largo plazo comoconsecuencia de acciones externas. Los cambios son posibles debido a que los contornosaluviales son móviles tanto en sentido vertical (variación del fondo) como horizontal(modificación de la planta). Cuando el río no circula en equilibrio existen sedimentacioneso erosiones que producen cambios en el contorno.

Par un encauzamiento es esencial conocer en detalle el régimen hidrológico de la cuencade aporte. Esto permitirá fijar los condicionantes para aguas bajas, altas y crecidas. Lasaguas bajas son persistentes y van produciendo la incisión en el cauce, aumentando lasinuosidad y disminuyendo la pendiente que le corresponde. Para aguas altas y crecidas, elrío 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 esimprescindible observar el estado natural del río la cual mostrará las característicasesenciales para un trazado del cauce principal o de aguas bajas. El trazado en planta delcauce de aguas altas y crecidas (caudales de baja frecuencia anual y extraordinarios,respectivamente) será menos sinuoso a medida que aumenta el caudal. Las diferencias desinuosidades pueden observarse esquemáticamente en la figura 27 donde se muestra uencauzamiento compuesto por tres cauces (aguas bajas, altas y crecidas).

Los elementos principales para realizar encauzamientos lo constituyen los albardones odiques laterales y los espigones. La figura 28 muestra las distintas combinaciones de estoselementos.


36

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 losgaviones. También pueden emplearse mantos de escollera, rip-rap, mantas con losetas dehormigón adheridas, etc. en algunos lugares han sido empleados con éxito, sobre toda parala 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, surégimen hidrológico y de avenidas, así como su transporte sólido. La geometría eHidrología 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 equilibrionos informan de la estabilidad del encauzamiento.

- Se debe recordar siempre que mediante un encauzamiento tan solo se crea una vía decirculación del agua a conveniencia del hombre, por ser más estable, más regular otener más capacidad. El riesgo hidrológico subsiste por igual. Con frecuencia sedesarrolla un efecto psicológico de seguridad por el solo hecho de haber intervenido enel 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 condicionesnuevas impuestas por el hombre mediante un encauzamiento. Se deben estudiar losefectos de las intervenciones para rectificar el proyecto, o al menos para estarpreparados para las consecuencias.

- Una obra de encauzamiento parcial puede generar más inestabilidad que la protecciónpretendida. El problema se agrava cuanto más aumenta la velocidad media en el tramoencauzado respecto a la que prevalece fuera del encauzamiento. Las transiciones decomienzo y fin de un encauzamiento deben ser suaves y graduales; las obraslongitudinales deben implantarse en el terreno y ofrecer contornos suaves. Pretender unobjetivo en una margen traerá frecuentemente el perjuicio en la otra.


37

4.3.2 Corte de Meandros

Como un caso particular de los encauzamientos se presenta las pautas principales arespetar en el corte artificial de un meandro.

En la evolución de un meandro, las curvas aumentan su longitud, pero debido a la erosiónde las márgenes exteriores de las curvas se produce un acercamiento entre las márgenescóncavas hasta que ocurre un estrangulamiento y se corta (ver figura 29).

Generalmente, esto sucede durante una gran crecida cuando se excede la capacidad delcauce y el agua pasa sobre la parte mas estrecha erosionando las márgenes y produciendoasí 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 decuerno o herradura.

Figura 29: Corte de un meandro.

En ocasiones se requiere controlar el corte de un meandro, ya sea para evitar una rupturaviolenta que altere el régimen del río, o bien por razones de seguridad ante daños quepueda producir el corte repentino, o sólo para acortar una vía de navegación.

Dicho control puede requerir desde la construcción completa del corte necesaria para larectificación, hasta solamente la excavación de un canal o cauce piloto, que posteriormenteel propio río agrandará hasta alcanzar su equilibrio y conducirá el escurrimiento completo.Evidentemente, existe el caso intermedio de encauzamientos por donde se desvían lasaguas altas y crecidas, y se mantienen en forma permanente el escurrimiento de las aguasbajas.

Para el diseño de los cortes artificiales se deben tener en cuenta las siguientesconsideraciones:

a) La alineación de los dos extremos del corte debe ser tangencial a la dirección del flujoprincipal para cada caudal de diseño;


38

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 principalen ese sitio.

e) El fondo del cauce piloto a la entrada y a la salida del mismo debe coincidir con laelevación del fondo en dichos lugares.

El ancho del corte resultará del mayor valor según los siguientes criterios: 1) el ancho debeser como mínimo igual a dos veces la altura del corte, para evitar posibles deslizamientosde las nuevas márgenes; 2) la nueva geometría debe garantizar que el esfuerzo cortante delfondo SRo ⋅⋅= γτ 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 máseconómica 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 compatibilidadde perfiles y gradientes de energía aguas arriba y aguas abajo del corte. Este cálculo sedeberá 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 losríos. Los puentes son obras singulares, costosas y vitales para mantener el transporte, delcual depende la economía de algunos sectores o regiones.

En una estadística realizada en 1976, sobre las causas de fallo o rotura de 143 puentes entodo el mundo, resultó 1 fallo debido a corrosión, 4 a la fatiga, 4 al viento, 5 a un diseñoestructural inadecuado, 11 a terremotos, 12 a un procedimiento inadecuado deconstrucción, 14 fallos fueron por sobrecarga impacto de embarcaciones, 22 por materialesdefectuosos y finalmente 70 fallos fueron causados por crecidas (de los cuales 66 fuerondebidos a la socavación, 46% del total). Esto muestra que los aspectos hidráulicos sonfundamentales en los puentes; un buen conocimiento de estos aspectos hará el puente masseguro y barato.

Lo que se ha avanzado en el conocimiento de las estructuras, las cargas, los materiales ylos procedimientos constructivos es mucho más que lo conocido sobre las acciones delagua y el sedimento. Pero no sólo la acción del agua y el sedimento es objeto de lahidráulica de puentes, sino también cuestiones de la concepción del puente y de la mismavía, como son las dimensiones del vano y el emplazamiento del puente. El mejoremplazamiento de un puente tiene respuesta en los diferentes puntos analizados a lo largodel 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;


39

- es preferible un cauce principal que tenga gran capacidad que uno fácilmentedesbordable;

- conocer el río hidrológica e hidráulicamente y sobre todo morfológicamente (análisisen distintas escalas espaciales y temporales);

En cuanto a la alineación del puente, antiguamente, se trataba de hacerlos aperpendiculares al río. En la actualidad, se atiende al diseño geométrico de la vía y elpuente puede estar oblicuo a la corriente (y hasta en curva); pero las pilas, estribos y todoelemento 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 relacionesestrechamiento del cauce versus elevación del tirante;

- estimar mediante un estudio hidrológico los periodos de retorno, los cuales seránasociados a la importancia de la vía (es comúnmente usado un Tr = 25 a 50 años víaspoco importantes, 100 años vías de importancia media y 100 a 200 años vías de granimportancia); o bien, si se cuenta con los datos suficientes, asociarlos con relacionesentre costos y daños o perjuicios versus periodo de retorno.

Es importante contar con datos relevados in-situ (niveles de resaca) o informaciones de loslugareños, tales como cantidad de veces que escurre por las llanuras de inundación, o lamáxima cota histórica del río, etc.

Se deberán realizar relevamientos de los sedimentos (D50, σg a distintas profundidades) quecomponen 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 alrelevamiento topográfico es de vital importancia para el cálculo hidráulico del río, peropasa a ser menos relevante al considerar la movilidad del fondo, y por lo tanto pasar a sertrascendental para el estudio la experiencia del profesional encargado.

La estimación de la erosión total en puentes se resume en el siguiente diagrama:

EROSIÓN GENERAL DEL LECHO

EROSIÓN POR CONTRACCIÓN

EROSIÓN POR PILA

EROSIÓN POR ESTRIBO

EROSIÓN LOCAL

EROSIÓN LOCALIZADA

EROSIÓN TOTAL EN PUENTES

En general, para la estimación de los diferentes parámetros desarrollados a lo largo de esteapunte han sido elaborados distintos modelos computacionales. Algunos de estos modeloshan alcanzado un cierto grado de avance, en cuanto a la cantidad de variables operadas,


40

pero ninguno analiza la totalidad de elementos involucrados, obviamente debido a lacomplejidad de estos sistemas.

Uno de los modelos disponibles para la estimación de erosiones en puentes es eldenominado HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center – River Analysis Systems)desarrollado por el US Army Corps of Engineers. Este modelo permite evaluar todas laserosiones descriptas anteriormente, excepto la erosión general del lecho. Para el cálculo deésta, puede emplearse el modelo HEC-6 “Scour and Deposition in Rivers and Reservoirs”.

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

-10

-5

0

5

10

15

20

Bridge Scour RS = 10.36

Station (ft)

Ele

vatio

n (f

t)

Legend

WS PF#1

Ground

Ineff

Bank Sta

Contr Scour

Total Scour

Figura 30: Ejemplo de cálculo de erosión local en puentes mediante HEC-RAS.


41

REFERENCIAS

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Ríos “Morfología de Ríos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.- Maza Alvarez J. A. y García Flores M. (1995) Cap. 12 del Manual de Ingeniería de

Ríos “Estabilidad de Cauces”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.- Maza Alvarez J. A. y García Flores M. (1996) Cap. 10 del Manual de Ingeniería de

Ríos “Transporte de Sedimentos”. Instituto de Ingeniería de la UNAM.- Melville B. And Coleman S. (2000) “Bridge Scour” Water Resources Publications,

LLC.- Weber J. F. (2000) “Hidráulica del Transporte de Sedimentos” Cap. en Hidrología y

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