Presas abiertas para control de sedimentos en ríos de montaña

7/25/2019 Presas abiertas para control de sedimentos en ros de montaa

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i

DEDICATORIA

Gonzlez von Daniken, Boris Alberto


2/213

ii

DEDICATORIA

Verde C., Douglas E


3/213

iii

AGRADECIMIENTOS


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iv

Gonzlez V., Boris A

AGRADECIMIENTOS

Verde C., Douglas E


5/213

v

Gonzlez von Daniken, Boris Alberto, Verde C., Douglas E

ANLISIS EXPERIMENTAL DEL FUNCIONAMIENTO

HIDRULICO DE PRESAS ABIERTAS PARA EL CONTROL O

RETENCIN DE SEDIMENTOS.

TUTOR ACADMICO: Prof. Mara Elena Bello. Trabajo Especial de Grado.

Caracas. U.C.V. Facultad de Ingeniera. Escuela de Ingeniera Civil. 2011, 196 P.

Palabras Claves: Presas abiertas, Alud torrencial, Transporte de sedimentos,

Control de Sedimentos, Medidas estructurales de Mitigacin, Modelaje Fsico, Estado

Vargas.

Resumen.

En diciembre del ao 1999 ocurri un evento extraordinario de precipitacinque origin fuertes flujos torrenciales que produjeron grandes prdidas humanas y

materiales. A 11 aos de este evento se contina con la investigacin con la finalidadde mitigar dicha amenaza. En este trabajo se realiz mediante ensayosexperimentales un anlisis de la variacin espacial y temporal del proceso desedimentacin que ocurre aguas arriba de las presas, la pendiente de equilibriomorfolgico y el estudio de las caractersticas del flujo bajo efectos de las presasabiertas con ranuras y con ventanas para distintas pendientes del cauce yconcentraciones de sedimentos del tipo arenas en el flujo, a travs de la utilizacin deun canal experimental. Se trazaron los perfiles de flujo y sedimento durante cadaexperiencia, se le hizo seguimiento al avance de la onda de sedimentacin hacia laspresas, con lo cual se calcul la variacin del volumen retenido en el tiempo y elvalor de la pendiente morfolgica de la onda de sedimentacin. Se obtuvo que la

pendiente de equilibrio para todos los ensayos correspondi a lo predicho por laexperiencia japonesa, encontrndose dentro del rango de y 2/3 de la pendienteoriginal del canal. De acuerdo al volumen retenido la presa con ventana retuvo mayorcantidad de sedimento total (gruesos y finos), mientras que la ranurada retuvo menosvolumen total pero ms partculas gruesas, lo cual permiti contrastar elfuncionamiento de ambas presas y obtener informacin valiosa que sirva para laplanificacin y el diseo de dichas obras.


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vi

NDICE GENERALPg.

INTRODUCCIN 1

CAPTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

1.1. OBJETIVOS 5

1.2.1. Objetivo General 5

1.2.2. Objetivos Especficos 5

CAPTULO II. MARCO TERICO 6

2.1. PRESAS DE CONTROL DE SEDIMENTOS 7

2.1.1. Presas cerradas 7

2.1.2. Presas abiertas 8

2.1.2.1. Presas con ranuras 9

2.1.2.2. Presas con ventanas 10

2.2. PENDIENTE DE COMPENSACIN(PRESAS CERRADAS) 11

2.2.1. Frmula de Romiti 11

2.2.2. Experiencia Japonesa 12

2.2.3. Experiencia Italiana 12

2.2.4. Experiencia Norteamericana 13

2.2.5. Luis Miguel Surez 13

2.2.6. Disminucin de la pendiente del cauce

(Takahashi, 1981; VanDine, 1996): 13

2.2.7. Ensayos realizados en laboratorio para

una presa ranurada. (Armanini y otros, 2001). 14


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vii

2.3. PRESAS DE RETENCIN DE SEDIMENTOS

CONSTRUIDAS EN EL ESTADO. VARGAS 15

2.3.1 Comportamiento de las Presas construidasen el Estado Vargas (Lpez, Prez H., Courtel, 2010) 19

2.4. RGIMEN TORRENCIAL 20

2.5. TIEMPO DE CONCENTRACIN 20

2.6. CUENCA TORRENCIAL 20

2.7. CUENCAS TORRENCIALES MONTAOSAS 21

2.8. TORRENTE O TORRENTE DE MONTAA 21

2.9. RO TORRENCIAL 22

2.9.1. Parte de los ros torrenciales 22

2.9.1.1. Cuenca contribuyente 22

2.9.1.2. Garganta o cuello 23

2.9.1.3. Cono de deyeccin o abanico aluvial 23

2.10. ALUDES O FLUJOS TORRENCIALES 24

2.10.1. Medidas estructurales para la mitigacin

de la vulnerabilidad ante flujos torrenciales 25

2.11. TRANSPORTE DE SEDIMENTO (ACARREO) 25

2.11.1. Transporte individual y transporte de masa 26

2.12. ECUACIN DE MANNING PARA FLUJO UNIFORME 28

2.13. NMERO DE FROUDE 28

CAPTULO III. MARCO METODOLGICO. 29

3.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 31

3.1.1. Acondicionamiento del canal 313.1.1.1. Modificacin del material del lecho del canal 31

3.1.1.2. Modificacin del sistema de recirculacin 32

3.1.2.Eleccin del material a utilizar como sedimento. 32

3.1.3.Elaboracin de las presas en lmina de acrlico 33


8/213

viii

3.2.INSTRUMENTACIN 33

3.3. INSTALACIN Y ACONDICIONAMIENTO DE TOLVA 35

3.4. EXPERIMENTOS REALIZADOS 36

3.5. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS 393.5.1. Medicin de los perfiles de flujo

y la onda de sedimentos 39

3.5.2. Clculo de las profundidades del flujo

a lo largo del tramo medido. 41

3.5.3. Clculo de las variables hidrulicas. 41

3.5.4. Clculo del Volumen de la onda de sedimento 42

3.5.5. Clculo de la pendiente del cuerpo de la onda. 43

CAPTULO IV. RESULTADOS Y ANLISIS 44

4.1. ENSAYO #1. PRESA RANURADA

(So=5%, Qs=2.82L/min) 45

4.2. ENSAYO #2. PRESA CON VENTANA

(So=5%, Qs=2.82L/min) 55


(So=7.5%, Qs=2.82L/min) 62


(So=7.5%, Qs=2.82L/min) 69


(So=7.5%, Qs=5.64L/min) 75

4.6. ENSAYO #6. PRESA CON VENTANA(So=7.5%, Qs=5.64L/min) 81


(So=10%, Qs=2.82L/min) 87


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ix


(So=10%, Qs=2.82L/min) 93


(So=10%, Qs=5.64L/min) 99


(So=10%, Qs=5.64L/min) 105

4.11. OBSERVACIONES GENERALES 111

4.11.1.Anlisis de las Granulometras 113

4.12. COMPARACIN DE RESULTADOS 114

CONCLUSIONES 115

RECOMENDACINES 118

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 119

BIBLIOGRAFA 120

ANEXOS 122


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x

NDICE DE FIGURAS

Pg.

Figura 2.1.Bateras de Presas Cerradas y con ventanasen el cauce del Ro Nojiri, Sakurajima, Japn. 6

Figura 2.2. Vistas desde aguas abajo de la Presa Guanapeen dos diferentes pocas: despus de finalizada laconstruccin en Mayo 2001 y Despus de lacreciente de Diciembre 2001 derecha a izquierda. 10

Figura 2.3 Presa de Ventana en Venezuela funcionandoen condiciones hidrulicas normales. 10

Figura 2.4. corte vertical del vortice formado en las cercanias de la presa 14

Figura 2.5. Lneas de corriente en las cercanas de la presa 15

Figura 2.6 localizacin esquemtica de las presas construidasen el Estado Vargas 18

Figura 2.7. Comparacin de los perfiles de sedimentacin

del cauce de la Quebrada Piedra Azul en los tramosaguas arriba de las presas 19

Figura 2.8. Partes de un ro torrencial. 24

Figura 2.9. Diagrama esquemtico de una onda tpica de alud torrencial 27

Figura 3.1. Esquema del canal experimental junto al sistema de recirculacin 29

Figura 3.2. Tanques de almacenamiento de agua y parte posterior del canal. 30

Figura 3.3. Modificaciones realizadas al canal experimental 31

Figura 3.4. Modelo de presas utilizadas en la realizacin de los ensayos. 33

Figura 3.5. Tolva para la administracin del sedimento 36


11/213

xi

Figura 3.6.Esquema de los ensayos realizados paradistintas pendientes y caudal slido 36

Figura 3.7. Procedimiento de vectorizacin de los perfiles en unsoftware de dibujo asistido por computador. 40

Figura 4.1. Ondulaciones en la superficie libre del agua 48

Figura 4.2. Desplazamiento del Resalto 49

Figura 4.3 Lneas de corriente del flujo (izquierda).

Vrtice vertical aguas arriba de la presa (derecha). 111

Figura 4.4. Vista Superior luego de finalizado el experimento 112


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xii

NDICE DE TABLAS

Pg.

Tabla 1.1. Inventario de presas ubicadas en el Estado Vargas 17

Tabla 3.1. Total Perfiles extraidos de los Ensayos 40

Tabla 4.1. Ensayo #1. Caractersticas generales para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min). 45

Tabla 4.2. Ensayo #1 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=5%, Qs= 2.82L/min. ) 46

Tabla 4.3. Ensayo #2. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.). 55

Tabla 4.4. Ensayo #2 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana( S=5%, Qs= 2.82L/min. ) 56

Tabla 4.5. Ensayo #3. Caractersticas generales para la presaranurada ( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ). 62

Tabla 4.6. Ensayo #3. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ) 63

Tabla 4.7. Ensayo #4. Caractersticas generalespara la presacon ventana ( S=7.5%, Qs= 2.82L/min. ). 69

Tabla 4.8. Ensayo #4 Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana( S=7.5%, Qs= 2.82L/min) 70

Tabla 4.9. Ensayo #5. Caractersticas generales para la presaranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 75

Tabla 4.10. Ensayo #5. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada( S=7.5%, Qs= 5.64L/min. ) 76


13/213

xiii

Tabla.4.11. Ensayo #6. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 81

Tabla 4.12. Ensayo #6. Evolucin de la onda de sedimentacin

para diferentes instantes para una presacon ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 82

Tabla 4.13. Ensayo #7. Caractersticas generales para la presaranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min) 87

Tabla 4.14 Ensayo #7. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada(S=10%, Qs= 2.82L/min) 88

Tabla 4.15. Ensayo #8. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=10%, Q

s= 2.82L/min) 93

Tabla 4.16. Ensayo #8. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana(S=10%, Qs= 2.82L/min) 94

Tabla 4.17. Ensayo #9. Caractersticas generales para la presaranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 99

Tabla 4.18. Ensayo #9. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa ranurada(S=10%, Qs= 5.64L/min) 100

Tabla 4.19. Ensayo #10. Caractersticas generales para la presacon ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 105

Tabla 4.20. Ensayo #10. Evolucin de la onda de sedimentacinpara diferentes instantes para una presa con ventana(S=10%, Qs= 5.64L/min) 106

Tabla 4.21. Cuadro resumen de los ensayos realizados 114


14/213

xiv

NDICE DE GRFICOS

Pg.

Grfico 3.1 Granulometra del material utilizado como caudal slido. 32

Grfico 4.1. Ensayo #1 Condiciones iniciales del flujo parala presa ranurada ( S=5%, Qs= 2.82L/min.) 47

Grfico 4.2. Ensayo #1, Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 51

Grafico.4.3. Ensayo #1. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 52

Grfico 4.4. Ensayo #1. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 54

Grfico 4.5. Ensayo #2 Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana ( S=5%, Qs= 2.82L/min). 57

Grfico 4.6. Ensayo #2. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 59

Grafico 4.7. Ensayo #2. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 60

Grfico 4.8. Ensayo #2. Variacin del volumen del delta desedimentacin en el tiempo durante el experimento

para la presa con ventana (S=5%, Qs= 2.82L/min.) 61

Grfico 4.9. Ensayo #3 Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min). 64

Grfico 4.10. Ensayo #3. Evolucin de la onda de sedimento


15/213

xv

para la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 66

Grfico 4.11. Ensayo #3. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 67

Grfico 4.12. Ensayo #3. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 68

Grfico 4.13. Ensayo #4. Condiciones iniciales del flujo

para la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min). 71

Grfico 4.14 Ensayo #4, evolucin de la onda de sedimento

para la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 72

Grfico 4.15. Ensayo #4. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 73

Grfico 4.16 Ensayo #4. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 2.82L/min.) 74

Grfico 4.17. Ensayo #5. Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 77

Grfico 4.18. Ensayo #5, Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 78

Grfico 4.19 Ensayo #5. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 79

Grfico 4.20. Ensayo #5. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.) 80

Grfico 4.21. Ensayo #6. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 83


16/213

xvi

Grfico 4.22. Ensayo #6. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 84

Grfico 4.23. Ensayo #6. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 85

Grfico 4.24. Ensayo #6. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=7.5%, Qs= 5.64L/min) 86

Grfico 4.25. Ensayo #7. Condiciones iniciales del flujopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min) 89

Grfico 4.26 Ensayo #7. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 90

Grfico 4.27. Ensayo #7. Proceso de sedimentacinaguas arriba para la presa ranurada.(S=10%, Qs= 2.82L/min) 91

Grfico 4.28 Ensayo #7. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 2.82L/min.) 92

Grfico 4.29. Ensayo #8. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min) 95


Grfico 4.31. Ensayo #8. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min) 97

Grfico 4.32. Ensayo #8. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimento


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xvii

para la presa con ventana (S=10%, Qs= 2.82L/min.) 98Grfico 4.33. Ensayo #9. Condiciones iniciales del flujo

para la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 101

Grfico 4.34. Ensayo #9. Evolucin de la onda de sedimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min.).(Direccin del flujo hacia la izquierda) 102

Grfico 4.35. Ensayo #9. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 103

Grfico 4.36. Ensayo #9. Variacin del volumen del deltade sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa ranurada (S=10%, Qs= 5.64L/min) 104

Grfico 4.37. Ensayo #10. Condiciones iniciales del flujopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 107


Grfico 4.39 Ensayo #10. Proceso de sedimentacin aguas arribapara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min) 109

Grfico 4.40. Ensayo #10. Variacin del volumen del delta

de sedimentacin en el tiempo durante el experimentopara la presa con ventana (S=10%, Qs= 5.64L/min.) 110

Grfico 4.41. Granulometras efectuadas posterior a los ensayos 113


18/213

1

INTRODUCCIN

En diciembre de 1999, el pas sufri una de las tragedias naturales ms grandeen su historia, un evento de precipitaciones extremas ocurrido en el Estado Vargas

produjo la desestabilizacin geomorfolgica de los cauces y de los taludes de las

vertientes de las cuencas hidrogrficas, con el consecuente desprendimiento de

grandes cantidades de sedimento, que sumadas a los grandes caudales alcanzados en

los ros de la regin originaron extraordinarios flujos torrenciales que llegaron a los

abanicos aluviales donde se encontraban establecidos grandes centros poblacionales

produciendo as incosteables prdidas humanas y materiales. En los aos siguientes a

la tragedia, se implementaron diversas medidas estructurales y no estructurales

enfocadas a la mitigacin del riesgo de las poblaciones, entre estas medidas

estructurales estuvo la construccin de presas abiertas con ranuras y con ventanas con

la finalidad de controlar el sedimento durante las crecientes.

Las presas abiertas con ranuras y con ventanas tienen la ventaja de permitir la

retencin del sedimento de forma parcial, bien sea reteniendo los fragmentos msgruesos de estos o reteniendo temporalmente los sedimentos producidos durante los

eventos de gran magnitud que son los que podran ocasionar destrozos, permitiendo

mantener la mecnica de transporte de sedimentos de los cursos de agua durante las

condiciones ordinarias de la manera ms natural posible tratando de no afectar el

equilibrio natural de los cauces.

En la actualidad, diversos investigadores han sentido la necesidad de estudiar

las caractersticas del funcionamiento de las presas abiertas con ranuras y con

ventanas con la finalidad de mejorar los criterios para el diseo de dichas obras, o


19/213

INTRODUCCIN

2

bien para labores de evaluacin del desempeo de las presas ya construidas, con el

objeto de reducir al mximo el riesgo ante los flujos torrenciales.

Cabe destacar que la amenaza de los flujos torrenciales no se limita al Estado

Vargas, numerosos centros urbanos localizados en zonas montaosas, como lo son

los ubicados a lo largo y en ambas vertientes de la cordillera de la costa y en los

Andes, tambin cuentan con cauces naturales que implican alto riesgo y amenaza

ante aludes torrenciales.

Tomando en cuenta lo anterior, y como una significativa contribucin a

estudios existentes sobre el comportamiento hidrulico de estas estructuras se

propuso realizar mediante una serie de ensayos de laboratorio utilizando un modelo

fsico a escala reducida (canal de pendiente variable ubicado en el edificio

laboratorio de Hidrulica de la Escuela de Ingeniera Civil de la Universidad Central

de Venezuela) el anlisis del comportamiento de las presas abiertas tipo ranurada y

con ventana ante el flujo con sedimento.

El presente Trabajo Especial de Grado se encuentra enmarcado en el proyecto

EVALUACIN DE OBRAS DE CONTROL DE ALUDES TORRENCIALES Y

DEL COMPORTAMIENTO DEL FLUJO EN SUS PROXIMIDADES N G-

2005000507 del FONACIT, cont con el apoyo y financiamiento de este distinguido

organismo, as como con toda colaboracin aportada por el equipo de investigadores

y tcnicos del Instituto de Mecnica de Fluidos de la Universidad Central deVenezuela


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3

CAPTULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La zona costera central de Venezuela, especficamente el Litoral Central est

bordeada de una cadena montaosa llamada Cordillera de la Costa que forma parte

del Estado Vargas. Por la presencia de esta cordillera, Vargas cuenta con una serie de

cuencas torrenciales que drenan las aguas de la vertiente norte de la cordillera hacia el

mar Caribe; entre ellas, Mamo, La Zorra, Tacagua, Las Pailas, Curucuti, Piedra Azul,

Osorio, Germn, Cariaco, Guanape, Alcantarilla, San Jos de Galipn, El Cojo,

Camur Chico, San Julin, Quebrada Seca, Cerro Grande, Uria, El Tigrillo, Naiguat,

Camur Grande, Anare y Care. La mayora alberga centros poblados en sus conos de

deyeccin.

Cuando estas cuencas torrenciales son sometidas a largos perodos de

precipitacin, se generan deslizamientos que pueden transformar las crecidas de los

cauces en aludes torrenciales (Debris flow), que finalmente llegarn a los abanicos

aluviales, donde se encuentran los asentamientos urbanos. Eventos como el descrito

han ocurrido en el Litoral Central en repetidas ocasiones a lo largo de la historia,

como es el caso de los ocurridos en Febrero de los aos 1798 y 1951, uno de los ms

recientes ocurri en Venezuela en Diciembre de 1999 causando uno de los peores

desastres de origen natural en Amrica Latina, arrasando con poblaciones enteras quese haban asentado a lo largo del litoral costero en el Estado Vargas;

aproximadamente 15.000 personas perdieron la vida y las prdidas materiales

superaron los 4 mil millones de dlares (Lpez, 2007). Una aproximacin ms

reciente difiere en la cifra de muertes, concluyendo que las muertes producidas


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CAPTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

4

difcilmente superan las 700 vctimas (Altez, en Lecciones aprendidas en el Desastre

de Vargas, 2010).

Como medida estructural para la mitigacin de los daos que produce este

tipo de eventos de lluvias torrenciales, se emplea la construccin de obras disipadoras

de energa sobre el cauce de los ros, entre stas, las presas abiertas con ranuras y con

ventana que permiten controlar un cierto tipo de sedimento del flujo. Luego de los

eventos de Diciembre de 1999, se elabor un plan de construccin de presas de

retencin de sedimentos en distintas quebradas, quedando como prueba de su

funcionamiento los eventos de febrero de 2005, que aunque no fueron de la misma

magnitud a los de 1999 en cuanto a precipitacin y cantidad de material slido en

transporte, produjeron crecientes de importancia que pusieron en evidencia el

comportamiento hidrulico de este tipo de estructuras.

El presente Trabajo Especial de Grado involucra el modelaje fsico en un

canal experimental y el estudio de las caractersticas del flujo bajo efectos de las

presas abiertas con ranuras y con ventanas para distintas pendientes del cauce y

concentraciones de sedimentos en el flujo lo cual permitir contrastar el

funcionamiento de ambas presas y obtener informacin valiosa que sirva para la

planificacin y el diseo de dichas obras.


22/213

CAPTULO I: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

5

1.2. OBJETIVOS

1.2.1. Objetivo General:

Evaluar mediante ensayos experimentales en modelos fsicos a escala reducida el

funcionamiento de las presas con ventana y con ranura para el control de sedimento

en ros de montaa.

1.2.2. Objetivos Especficos:

1-Simular en el laboratorio el comportamiento de las presas de control de sedimento

que se estn construyendo actualmente en el estado Vargas.

2-Calcular la pendiente de equilibrio morfolgico aguas arriba de las presas con

ranura y con ventana para diferentes condiciones de pendiente del lecho y caudal

slido.

3-Analizar la variacin espacial y temporal del proceso de sedimentacin que ocurre

aguas arriba de las presas.

4-Contrastar el desempeo de ambas presas, con ranura y con ventana, para las

diferentes condiciones de pendiente del lecho y caudal slido en el control de

sedimento.


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6

CAPTULO II

MARCO TERICO

En diversas regiones del mundo donde se presentan habitualmente flujos con

grandes cantidades de sedimentos que ocasionan problemas a las poblaciones se ha

concretado acciones para mitigar los efectos. En 1897 en Japn se cre la primera ley

(Sabo Law) que oblig a buscar medidas para controlar estos flujos, lo que dio lugar

al establecimiento de organizaciones dedicadas especficamente a esta rea.

Figura 2.1.Bateras de Presas Cerradas y con ventanas en el cauce del Ro Nojiri, Sakurajima, Japn. [1]

Para mitigar el riesgo ante flujos torrenciales se emplean medidas

estructurales y no estructurales, las primeras que son el centro de atencin de ste

trabajo especial de grado, buscan la intervencin del cauce con la finalidad de

manejar los sedimentos arrastrados por el flujo en algunas de sus tres fases: origen,

transporte y deposicin.


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CAPTULO II: MARCO TERICO

7

Entre las medidas estructurales de control de sedimentos en la fase de

transporte se encuentran las presas de control de sedimentos.

2.1 PRESAS DE CONTROL DE SEDIMENTO

Son barreras colocadas de manera transversal al flujo en los cauces para

retener y controlar los sedimentos transportados por la corriente. Estas estructuras se

construyen normalmente en las gargantas de los torrentes o en las desembocaduras de

sus principales afluentes, donde las pendientes son pronunciadas por lo que el flujo

presente es de carcter supercrtico, las presas cumplen la funcin de un control

hidrulico produciendo un cambio en el rgimen del flujo a subcrtico, reduciendo la

capacidad de arrastre de sedimento del flujo aguas arriba de la presa.

Las presas de control de sedimento se clasifican de acuerdo a la forma en que dejan

pasar el flujo en presas cerradas y abiertas.

2.1.1. Presas cerradas

Como su nombre lo indica, consisten en una muralla continua que sirve de

control para el flujo obligndolo a salir por su parte ms alta, comnmente por un

vertedero hidrulicamente calculado para evitar el colmatado de la presa. Las presas

cerradas interceptan la mayor porcin de material arrastrado, exceptuando las

partculas ms finas que pasan cuando las crecientes desbordan la presa.


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8

2.1.2. Presas abiertas

Segn Lpez, Falcn y Prez-Hernndez (2006) son presas que se

construyen con aberturas en el cuerpo de la estructura y cumplen el objetivo de

seleccionar el material slido, reteniendo las fracciones ms gruesas y dejando pasar

a las ms finas. Las presas abiertas pueden mantener por perodos ms largos de

tiempo intacta su capacidad de almacenamiento, adems de reducir los impactos

erosivos del tramo aguas abajo de la presa al no impedir de manera brusca el

transporte de slidos. Si las aberturas son lo suficientemente grandes, los eventos

ordinarios no deberan reducir su capacidad de almacenamiento, dejando a la

estructura disponible para eventos extraordinarios.

Mediante la retencin selectiva de los slidos de mayor tamao se logra una

serie de ventajas que caracterizan el funcionamiento de las presas abiertas (Surez,

1993).

El volumen del embalse se utiliza en forma ptima, al retener en l los

materiales slidos de mayores dimensiones, que son los que causan los

mayores daos a la infraestructura existente aguas abajo.

Los materiales de tamaos medios y finos quedan depositados temporalmente

en el embalse debido al remanso que se produce como efecto de la retencin

del flujo por la presa. Al ceder la creciente, stos materiales son arrastrados

gradualmente aguas abajo a travs de las aberturas de la presa, con lo que se

evita que el flujo tenga una concentracin excesiva de sedimentos durante el

pico de la misma. Los slidos ms voluminosos no pueden pasar por las

aberturas de la presa y en consecuencia quedan retenidos.

Los cuerpos flotantes voluminosos tales como rboles, troncos y ramas

quedan retenidos, con lo cual se evita que los mismos se traben en los puentes

existentes aguas abajo o en sitios estrechos del cauce, represando el flujo.

Posteriormente al romperse la barrera, podra ocurrir una creciente de peores


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9

consecuencias que las naturales. Adems, la obstruccin tambin podra dar

origen a desbordamientos e inundaciones aguas arriba de la misma.

Al permitir el trnsito aguas abajo de los sedimentos medios y finos estaspresas no causan efectos de degradacin importantes en el cauce, ni producen

efectos notables de erosin (retroceso) en las playas fluviales, lacustre y

martimas, cuyo equilibrio est afectado por el caudal slido transportado por

el ro o torrente.

El tramo aguas arriba de la presa se va colmatando gradualmente con los

materiales slidos ms voluminosos, por lo que el relleno es altamente

permeable. Una fraccin importante del caudal aportado por la cuenca se

infiltra en el sedimento, propiciando un flujo subterrneo beneficioso para la

estabilidad del torrente.

Efectividad en la detencin de los aludes torrenciales, debido a que estas

presas toman un tiempo mayor para colmatarse que las cerradas. De esta

manera, mantienen su proteccin por ms tiempo. Al separar el agua de los

slidos mayores, producen una gran disipacin de la energa de la masa

fluyente.

Dentro de las presas abiertas se distinguen dos tipos, con ranuras y con ventanas.

2.1.2.1. Presas con Ranuras:

Son presas formadas por hendiduras estrechas que llegan o se acercan al fondo

del cauce, las aberturas alcanzan la cresta de la presa,( ver figura 2.2). Se puede

considerar a la presa como dividida por las ranuras en varios elementos de gravedad.


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10

Figura 2.2 Vistas desde aguas abajo de la Presa Guanape en dos diferentes pocas: despus definalizada la construccin en Mayo 2001 y Despus de la creciente de Diciembre 2001 de derecha a

izquierda.[3](Tomada por: El Instituto de Mecnica de los Fluidos).

2.1.2.2. Presas con Ventanas:

Son presas que presenta una o varias aberturas cuadradas, rectangulares o

circulares en la parte central bajo el vertedero, la abertura no alcanza la cresta, (ver

figura 2.3). El tamao de las aberturas es funcin del dimetro de los peones que se

deseen retener.

Figura 2.3. Presa de Ventana en Venezuela funcionando en condiciones hidrulicas normales.[2]


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11

2.2 PENDIENTE DE COMPENSACIN

Cuando las presas cerradas estn completamente colmatadas han conseguido

disminuir la pendiente original del cauce, a la nueva pendiente se le llama pendientede compensacin.

A juicio de Surez (1993), resulta prcticamente imposible efectuar un clculo

preciso de la pendiente de compensacin, a causa de la gran cantidad de variables

involucradas en todos los problemas relativos en todos los problemas relativos a los

cauces naturales con presencia de transporte de slidos, por lo que es preferible para

el ingeniero proyectista utilizar frmulas y mtodos empricos, basados en la

medicin de las pendientes antes y despus de construidas las presas de correccin

torrencial, utilizando un nmero pequeo de variables de correlacin, lo que permite

obtener resultados confiables, garantizados por la verificacin en numerosas

experiencias reales de campo, lo cual es lo que requiere el ingeniero en busca de

soluciones prcticas.

Seguidamente se exponen cuatro mtodos de estimacin de la pendiente de

compensacin, basados en mediciones de campo.

2.2.1. Frmula de Romiti

La pendiente de compensacin SCviene expresada por:

22

max

3

5,113

1

CC

C

b

b

d

d

ss

s

S


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12

Siendo:

S: Pendiente original del cauce de la presa.

dmax: tamao mximo de las partculas del cauce(m).

dC: tamao mximo comn (d50) de las partculas del cauce(m).b: Ancho original del cauce en creciente (m).

bC: Ancho original del cauce en creciente despus de la colmatacin de la presa

(m).

El inconveniente que presenta la utilizacin de esta frmula es la

determinacin de dmax y de cuyos valores afectan de una manera importante el

resultado, y estn sujetos al criterio personal de evaluacin del calculista.

2.2.2. Experiencia Japonesa

La experiencia Japonesa en las labores de correccin de cauces torrenciales,

permite estimar la pendiente de compensacin de la manera siguiente:

3

2

2

1

C

Siendo:

: Angulo correspondiente a la pendiente original()

c: Angulo correspondiente a la pendiente del cauce()

2.2.3. Experiencia Italiana

Segn la experiencia Italiana, basada en la medicin de la pendiente decompensacin en una serie de torrentes, se tiene que:

SSC

66.0


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13

2.2.4. Experiencia Norteamericana

En los Estados Unidos, con base en las observaciones de campo, se

recomienda utilizar:

2.2.5. Luis Miguel Surez:

Recomienda estimar el valor de la pendiente de equilibrio de una manera

prctica utilizando la ecuacin:

SSC

65.0

Siendo:

S: Pendiente original del cauce de la presa.

Sc: Pendiente de compensacin.

2.2.6. Disminucin de la pendiente del cauce (Takahashi, 1981; VanDine, 1996):

Observaciones en campo indican que existe un cierto valor lmite de la

pendiente para la cual una masa de detritos, constituida por partculas gruesas

suspendidas en una matriz de finos y agua, tiende a depositar. Takahashi estudi la

deposicin de flujos detrticos debido al cambio brusco de pendiente sin expansin

del cauce. Ellos consideraron la diferencia de momentum de la cabeza del flujo en elcanal de aguas abajo (el de menor pendiente) obteniendo una condicin para la

detencin del frente del flujo.

SSC

70.0


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14

tan ( )( ) tan

Siendo:: La densidad de la fraccin fluida de la mezcla (agua y finos).: La densidad de los Slidos.tan : La pendiente de compensacin de una masa de detritos de concentracinuniforme.: El ngulo de friccin interna de las partculas (para material granular biengraduado vale 30) (Takahashi, 1981).

: La concentracin volumtrica de los slidos (sin incluir los finos).2.2.7. Ensayos realizados en laboratorio para una presa ranurada. (Armanini y

otros, 2001).

En experimentos realizados en un canal experimental en presencia de flujo

con sedimento para una presa ranurada se obtuvo como resultado que el rgimen del

flujo se presenta con los siguientes esquemas que corresponden a las vistas de planta

y perfil del canal y la presa.

Figura 2.4. Corte vertical del vrtice formado en las cercanias de la presa


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15

Figura 2.5.lneas de corriente en las cercanas de la presa

Se encontr que el sedimento se deposita aguas arriba de la presa formando el

delta de sedimento, esto se debe a una disminucin de la capacidad de transporte del

flujo producto de la prdida de energa originada por la contraccin fuerte que

representa la ranura, con lo que se generan dos vrtices verticales simtricos que se

ven en las figuras 2.4 y 2.5.

2.3. PRESAS DE RETENCIN DE SEDIMENTOS CONSTRUIDAS EN EL

ESTADO VARGAS

En el ao 2000 se crea el Instituto Autnomo Corporacin para la

Recuperacin y Desarrollo del Estado Vargas (CORPOVARGAS), adscrito al

Ministerio de Planificacin y Desarrollocon el objeto general de promover, ejecutar,

financiar y coordinar proyectos y programas de naturaleza fsico ambiental,

econmica y social para lograr la recuperacin y desarrollo del Estado Vargas,afectado por la catstrofe natural ocurrida en diciembre de 1999. Lo que impuls al

diseo y ejecucin de presas abiertas y cerradas para las cuencas y sub cuencas

afectadas.


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Se ha realizado un inventario de las presas construidas en Vargas hasta la

fecha, cuyas principales fuentes de informacin han sido un mapa base de 1:10000

perteneciente al Instituto de Mecnica de Fluidos (IMF) de la Universidad Central de

Venezuela, informacin recopilada de la pgina web de CORPOVARGAS y elprograma similar a un sistema de informacin geogrfica Google Earth. Estas fuentes

han sido comparadas y se muestran sus principales caractersticas en la Tabla 1.

Cabe destacar que de las 62 presas identificadas, 34 son del tipo cerradas y 26

del tipo abiertas, cuarenta y tres (43) de las presas son de gavin, catorce (14) de

concreto, tres (3) de acero y dos (2) de malla. La altura de las presas vara entre un

mnimo de 4 m y un mximo de 11 m (Lpez, 2007).


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Tabla 1.1. Inventario de presas ubicadas en el Estado Vargas

Fuentes en que fueron ubicadas

Cauce

Nmero

dePresas Cerradas Abiertas Tipo de Material

Mapa Base1:10000

proporcionadopor el IMF

Sitio web de

Corpovargas

Google

earth

Mamo (en losafluentes Qda.El Tigre y Qda.

El Pozo)

2 2 0 Gavin (2) 2 2 2

El Piache(afluente delRo Mamo)

1 1 0 Gavin (1) 1 1 1

La Zorra 1 1 0 Gavin (1) 1 1 1

Tacagua 3 1 2Acero (2),Gavin (1)

3 3 1

Las Pailas 4 1 3

Gavin (1),Concreto

ciclpeo (2),

Tubular Acero(1)

4 3 2

Curucuti 4 3 1Gavin (3),Concreto

ciclpeo (1)4 4 2

Piedra Azul 3 2 1 Gavin (3) 3 3 3Dos Comadres(afluente roPiedra Azul)

2 0 2 Gavin (2) 2 2 0

Osorio 4 2 2Gavin (2)Malla (2)

4 2 1

German 2 0 2Concreto armado

(2)2 2 0

Cariaco 2 0 2Concreto armado

(2)2 2 2

Guanape 1 0 1Concreto armado

(1) 1 1 0Alcantarilla 7 7 0 Gavin (7) 7 2 6

San Jose deGalipan 2 1 1

Gavin (1),Concreto armado

(1)2 2 2

El Cojo 2 1 1 Gavin (2) 2 2 2Camuri Chico 1 0 1 Gavin (1) 1 1 1

San Julin 3 0 3Concreto armado

(3)3 3 3

Quebrada Seca 4 4 0 Gavin (4) 4 2 2Cerro Grande 2 2 0 Gavin (2) 2 2 2

El Tigrillo 2 2 0 Gavin (2) 2 2 1

Naiguat 1 0 1Concreto

ciclpeo (1)1 1 1

Camur Grande 3 2 1 Gavin (3) 3 1 3Migueleno(afluente de

Camur Gnde.)3 2 1 Gavin (3) 3 0 3

Care 1 0 1 Gavion(2) 1 1 1

Anare 2 2 0Concreto

ciclpeo (1)2 2 1

TOTAL: 62 36 26Gavin (43),

Concreto (14),Acero (3), Malla(2)


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Figura 2.6 localizacin esquemtica de las presas construidas en el Estado Vargas


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2.3.1 Comportamiento de las Presas construidas en el Estado Vargas

(Lpez, Prez H., Courtel, 2010)

En labores realizadas en Campo se llev a cabo el levantamiento de los

perfiles del cauce y estudios de la granulometra del material depositado en los tramos

aguas arriba de las presas en diferentes torrentes del Estado Vargas, En abril de 2007

en las quebradas Curucut, Piedra Azul, Alcantarilla, San Jos de Galipn y El Cojo;

en mayo de 2008 se repite la labor en las cuencas de Alcantarilla, San Jos de

Galipn, Camur chico, San Julin y Camur Grande, dejando constatado el

funcionamiento de los diferentes tipos de presa construidos. En la Figura2.7 se

observa la notable variacin del lecho aguas arriba de las presas #1 y # 2 del tipo

cerradas ubicadas en el cauce de la Quebrada Piedra Azul, donde la sedimentacin

gener una nueva pendiente inferior a la original del lecho, la presa #3 corresponde a

una presa ranurada y para la cual no se present gran cantidad de material retenido

durante la visita en presencia de un gasto ordinario.

Figura 2.7Comparacin de los perfiles de sedimentacin del cauce de la Quebrada Piedra Azul en lostramos aguas arriba de las presas.


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2.4. RGIMEN TORRENCIAL

Se le llama rgimen torrencial de un curso de aguas al comportamiento

irregular de su caudal, seco durante la mayor parte del tiempo y con crecidas

violentas y destructivas en ciertos eventos aislados.

2.5. TIEMPO DE CONCENTRACIN

Es el tiempo en que tarda una gota de agua en recorrer el trayecto desde el

punto ms alejado de la cuenca hasta el punto considerado, llamado tambin sitio de

concentracin o sitio de clculo, el tiempo de concentracin depende de la longitud

mxima que debe recorrer el agua hasta la salida de la cuenca, y de la velocidad

promedio que adquiere el flujo a lo largo del recorrido dicha velocidad es funcin de

las pendientes del terreno y de los cauces, as como de la rugosidad superficial.

El tiempo de concentracin puede ser calculado como la suma de dos trminos

Siendo:: el tiempo de concentracin superficial correspondiente a la escorrenta en lasladeras y planicies hasta alcanzar el curso de agua ms cercano.

:: el tiempo de viaje a travs de los cauces.

2.6. CUENCA TORRENCIAL

Es una cuenca con respuesta muy sensible a las precipitaciones por lo que se

caracteriza por tener crecidas de gran intensidad y poca duracin.


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2.7. CUENCAS TORRENCIALES MONTAOSAS

Las cuencas formadas en zonas montaosas con laderas de gran pendiente son

un tipo de cuenca torrencial, debido a su poca extensin y corto tiempo de

concentracin lo que hace que alcancen el mximo de su creciente an en tormentas

no muy duraderas.

Por lo general los efectos geomorfolgicos involucrados en este tipo de

orogenia se caracterizan por la presencia de material fragmentado, grandes peones,

grava y material ptimo para alimentar con slidos a los cauces por lo que

comnmente estn muy predispuestas a la erosin.

Debido a las caractersticas anteriores, dichas cuencas acarrean un elevado

transporte de sedimentos o de material slido en sus cursos de agua durante sus

crecientes.

Una cuenca torrencial puede ser una cuenca de montaa como tambin una

cuenca en lugares de desiertos. En el presente trabajo se utilizar el trmino torrencial

haciendo referencia a las cuencas y ros de montaa ya que estos son el objeto de

estudio.

2.8. TORRENTE O TORRENTE DE MONTAA

Los torrentes son cursos de agua de zonas montaosas que se caracterizan por

tener fuertes pendientes longitudinales mayores al 5%, las cuales son irregulares. Los

cauces de los torrentes estn formados por materiales gruesos, peones, cantosrodados, grava y arena, entremezclados. En ellos predomina el arrastre de fondo sobre

el transporte en suspensin.


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22

2.9. RIO TORRENCIAL

Existe una categora intermedia entre ros y torrentes conocida como ros

torrenciales para indicar que se trata de un caso intermedio o de una transicin entre

ambos. Los ros torrenciales suelen presentarse en las zonas de piedemonte, donde los

torrentes depositan sus sedimentos, se suaviza la pendiente y comienzan a aparecer

las caractersticas fluviales.

Los ros torrenciales presentan cauces mltiples (trenzados) que se

entrecruzan y cambian de posicin constantemente. El material de lecho es grueso,

formado por grava, cantos rodados y arena. La seccin es muy irregular y cambiante.

En general un curso de agua comienza siendo un torrente en la zona

montaosa, pasa a la categora de ro torrencial en el piedemonte y se transforma en

ro en la planicie aguas abajo. De un modo global se puede decir que poseen cuencas

hidrogrficas poco extensas y muy pendientes, lo que produce una respuesta rpida a

las precipitaciones localizadas sobre ellas. Las crecidas son violentas y de corta

duracin (horas).

2.9.1. Partes de los ros torrenciales

2.9.1.1. Cuenca contribuyente

Es la parte ms alta y ms extensa del torrente, tiene una forma semejante a la

de un embudo y en ella se capta la mayor parte del flujo proveniente de las

precipitaciones. La mayor parte de los sedimentos transportados por el torrente

proviene de la cuenca, ya que en ella predomina la erosin, la profundizacin,

ensanchamiento y ramificacin de los cauces.


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23

2.9.1.2. Garganta o cuello

Generalmente est constituida por un cauce encajonado y profundo, situado

aguas abajo de la cuenca receptora. La pendiente suele ser muy elevada y variable,

aunque menor que la de los cauces ramificados de la cuenca. El presente trabajo se

enmarca en las condiciones en esta parte del ro torrencial por lo que a continuacin

se detallan sus caractersticas.

Caractersticas de la garganta:

Las velocidades del flujo en creciente son muy altas.

Este tramo identifica lo que comnmente se denomina el torrente.

La garganta tiene longitud muy variable, desde cero, hasta varios

kilmetros en algunos casos.

El punto que identifica el comienzo de la garganta, se caracteriza por

corresponder al estrechamiento de la cuenca y porque aguas abajo de

este punto no existen afluentes importantes.

El punto donde termina la garganta, corresponde al comienzo del cono

de deyeccin.

En la garganta predomina el transporte de los materiales, el cual a suvez puede originarse de los procesos de erosin en el lecho y en las

mrgenes.

2.9.1.3. Cono de deyeccin o abanico aluvial

El torrente al desembocar en la planicie disminuye su pendiente, la corriente

disminuye de velocidad y se produce la sedimentacin de los materiales

transportados. Tiene una pendiente uniforme desde el pice hasta el borde final. Las

poblaciones suelen asentarse en estas reas.


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24

Figura 2.8 Partes de un ro torrencial.[4]

2.10 ALUDES O FLUJOS TORRENCIALES

Los eventos de precipitaciones de gran duracin y gran intensidad sobrecuencas torrenciales producen erosin y deslizamientos de laderas producto de la

saturacin de los suelos que reduce su estabilidad hasta el punto de ceder ante la

fuerza de gravedad. El colapso de estas grandes masas de suelo y roca puede dar

origen a la saturacin del flujo en los cauces produciendo los llamados aludes

torrenciales, que pueden estar constituidos por agua, barro, rocas, restos de

vegetacin, restos de materiales y desperdicios u objetos producidos por la

civilizacin.


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25

2.10.1 Medidas estructurales para mitigacin de la vulnerabilidad ante flujos

torrenciales

Las obras dedicadas a la mitigacin utilizadas bsicamente son:

Obras de control de erosin y estabilizacin de laderas en la cuenca

tributaria con la finalidad de estabilizar sus taludes y disminuir el volumen

de los deslizamientos.

Obras de estabilizacin de cauces, orientadas a disipar la energa del flujo

y disminuir la capacidad de transporte de slidos en las ramificaciones de

cauces en la parte baja de la cuenca receptora.

Obras de control y retencin de sedimentos, en las que se centra el estudiodel presente trabajo, constituidas en la zona de la garganta o rio torrencial

y principalmente con la finalidad de mitigar el volumen final de material

transportado por el flujo el cual es la amenaza principal que da origen a las

tragedias.

Y finalmente Obras de canalizaciones, establecidas en el resto del cauce

sobre el cono de deyeccin hasta el delta y desembocadura del rio

torrencial.

Aunque existen numerosas obras de control de sedimentos cada una

consecuentemente utilizada por la humanidad en diversas aplicaciones orientadas a

las condiciones presentes en la realidad, el presente trabajo se enfoca solamente en

estudiar a las presas abiertas para control y retencin de sedimentos.

2.11. TRANSPORTE DE SEDIMENTO (ACARREO)

De acuerdo al tamao y naturaleza de las partculas y la capacidad de arrastre

del ro, el transporte de sedimento puede dividirse en transporte en solucin (slidos

disueltos); en suspensin (partculas finas, limos y arcillas) las cuales por su poco

peso se mantienen elevadas por los remolinos de la corriente y slo se asientan


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cuando la velocidad de la corriente disminuye, o cuando el lecho se hace ms liso o la

corriente descarga en un pozo o lago; y acarreo de fondo, constituido por las

partculas de mayor tamao (arenas, gravas, cantos y peones) cuyo peso hace que el

agua no pueda suspenderlas, pero el esfuerzo cortante del flujo cercano al fondo lograrodar y trasladar las partculas, sobre todo durante las crecientes, producindose

numerosas colisiones entre ellas. En este ltimo la velocidad con que se trasladan las

partculas es sensiblemente menor a la velocidad de agua.

Existe un tipo intermedio de movimiento en el que las partculas se mueven

aguas abajo dando rebotes o saltos, a veces tocando el fondo y a veces avanzando en

suspensin hasta que vuelven a caer al fondo. A este movimiento se le denomina

saltacin y es una parte muy importante del proceso de transporte por el viento, en la

corriente lquida la altura de los saltos es tan reducida que no se distinguen realmente

del arrastre de fondo.

2.11.1. Transporte individual y transporte de masa

Cuando la corriente lleva una cantidad reducida de slidos, segn los

mecanismos descritos en la seccin anterior, cada partcula se desplaza con una

velocidad igual a la que tendra en el caso de que fuese la nica transportada por el

flujo. A medida que la cantidad de partculas aumenta stas cada vez tienen una

mayor influencia unas sobre otras, debido a los choques que se producen. Asimismo,

afectan cada vez ms las caractersticas del flujo debido a la influencia que ejercen

sobre la turbulencia, pero siempre que la concentracin de slidos en el agua no sea

excepcionalmente elevada existir una notable diferencia entre la velocidad

relativamente lenta de los materiales ms gruesos y la velocidad casi igual a la delagua de los ms finos. Es posible hablar de una velocidad individual de arrastre, para

una partcula de tamao dado. A esta forma de arrastre se le denomina transporte

individual.


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Si por alguna circunstancia los slidos presentes en el flujo aumentan

extraordinariamente las diferentes partculas estarn prcticamente en contacto

aumentando el nmero de choques por lo que todas tendern a desplazarse con la

misma velocidad en forma conjunta. A esta forma excepcional de arrastre se ladenomina transporte de masa.

Se podra decir que el transporte en masa es el lmite hacia el que tiende el

transporte individual cuando la concentracin de slidos crece indefinidamente

(Surez, 1993).

La mecnica de transporte durante un alud torrencial es del tipo transporte de

masa. Las partculas transportadas forman una onda de sedimento que se desplaza

aguas abajo de la corriente. Las partes de la onda se muestran en la figura.2.9.

Figura 2.9.Diagrama esquemtico de una onda de sedimento tpica[5]


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2.12. ECUACIN DE MANNING PARA FLUJO UNIFORME:

1 .A.Rh

3. So

Siendo:

Q: caudal.

n: coeficiente de rugosidad de Manning.

Rh: radio hidrulico.

So: La pendiente de la lnea de energa que si el flujo es uniforme es igual a la

pendiente del fondo del canal y a la vez igual a la pendiente de la superficie libre del

agua.

2.13. NMERO DE FROUDE

VgD

Siendo:

V: La velocidad media de la seccin transversal del flujo.

g: La aceleracin de gravedad.

: La profundidad hidrulica.


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29

CAPTULO III

MARCO METODOLGICO

Los ensayos experimentales se realizaron en el Edificio Laboratorio de

Hidrulica del Instituto de mecnica de fluidos de la Facultad de Ingeniera de la

Universidad Central de Venezuela, el cual cuenta con un canal experimental de

seccin rectangular, dotado de un sistema mecnico que hace variar la pendiente entre

3.5% y 10% . Las dimensiones del canal son: 8 metros de largo, 60 cm de ancho y 40cm de alto, en su interior se coloc una estructura de madera lisa y barnizada que

reduce el ancho del canal a 30 cm logrando el aumento de la lmina escurrida.

Figura 3.1. Esquema del canal experimental junto al sistema de recirculacin


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CAPTULO III:MARCO METODOLGICO

30

El canal contaba con un sistema de recirculacin de agua cuya alimentacin

originalmente dispona de dos bombas centrfugas de 1hp y 1/2 hp dispuestas

hidrulicamente en paralelo, cada una provista de una vlvula de bola para lograr la

estabilidad del caudal suministrado debido a las diferencia de potencia entre ambas.Las bombas alimentan al canal por la base de una cmara ubicada en el extremo

superior del mismo, por lo que el agua vierte hacia el canal una vez que se produce el

rebose de dicha cmara. Luego de transitar a todo lo largo del canal, el agua se capta

en una canaleta y es dirigida por una tubera de 4 pulgadas a dos tanques de

almacenamiento de 2000 litros cada uno y que estn unidos por un tubo de una

pulgada cerca del fondo de los tanques, las bombas captan el agua de estos tanques y

la redirigen al canal de experimento.

Figura 3.2. Tanques de almacenamiento de agua y parte posterior del canal [6]


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31

3.1 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El procedimiento experimental se dividi en las siguientes etapas.

3.1.1 Acondicionamiento del canal

3.1.1.1 Modificacin del material del lecho del canal

Originalmente el canal contaba con un fondo o lecho de madera lisa y

barnizada susceptible a afectarse por la humedad. Para proteger el lecho original

(previniendo el caso de que se desee a futuro revertir las modificaciones realizadas)

se procedi a adherir con silicn lminas de enchapado de madera.

Una vez secado el revestimiento de chapilla del fondo original se realiz lainstalacin de un lecho fijo compuesto por grava de forma irregular con cortes

angulares, cuyas caractersticas son, 2 cm promedio de dimetro y clasificacin

granulomtrica comprendida entre 0.2 a 6 cm de dimetro. Este lecho se utiliz con el

fin de alcanzar una alta rugosidad que permiti un espesor de lmina escurrida ms

alto y obtener cierta similitud con los cauces naturales de los torrentes a escala

(sugerido por el Profesor Jos Lus Lpez). La grava se adhiri al material del fondo

original del canal mediante concreto formado mezclando arena (de la mismagranulometra utilizada para el experimento), cemento comercial y agua, con lo que

se logr eliminar filtraciones que existan en el sistema y que pudieron afectar los

resultados de los experimentos.

Figura 3.3. Modificaciones realizadas al canal experimental. (Antesdespus)


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32

3.1.1.2. Modificacin del sistema de recirculacin

Este sistema fue modificado sustituyendo una de las bombas que se

encontraba descompuesta, la bomba de potencia de hp, por otra funcional de 2 hp

potencia, con lo que se consegua un mayor caudal para la realizacin de los ensayos.

Adicionalmente con colaboracin del equipo tcnico del instituto se construy

un cedazo para que impidiera en su totalidad el paso del material slido hacia los

tanques de alimentacin, permitiendo solo el paso de agua para evitar daos en las

bombas.

3.1.2. Eleccin del material a utilizar como sedimento

Se utiliz arena previamente lavada y cernida para eliminar impurezas y las

partculas ms finas que pudieran pasar a los tanques de alimentacin, eliminando as

la posibilidad de formacin de transporte en suspensin y en solucin que dificultaran

el proceso de medicin debido a turbiedad del agua. Con esto se limit el estudio al

tipo de mecanismo de transporte de slidos de fondo.

Se tom una muestra de 418.8g del material a utilizarse y se elabor la

granulometra en el laboratorio de sedimentologa del IMF, los resultados al detalle se

exponen en la grfica 3.1. La granulometra del material una vez lavado y cernido de

D50=0.72mm y con un peso especfico de 2.65 kg/litro.

Grfico. 3.1. Granulometra del material utilizado como caudal slido

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,010 0,100 1,000 10,000 100,000Porcentaje

enmasadepartculas

con

dimetromenor

Dimetro de la partcula

Granulometra del Material Utilizado como Caudal Slido


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33

3.1.3. Elaboracin de las presas en lmina de acrlico

Se elaboraron dos presas en lmina de acrlico transparente de 0.5cm de

espesor en los talleres del IMF (Figura 3.4). La presa con ranura, con una ranura

central de 4 cm de ancho iniciada desde el fondo lo que dio como resultado dos

estructuras independientes fijas a los extremos del canal y separadas por una abertura

central. La presa con ventana, con una ventana central de dimensiones 4cm de ancho

y 6cm de altura; ambas presas de 15 cm de altura y del mismo ancho del canal (30

cm). Longitudinalmente las presas fueron colocadas a 20 cm del extremo aguas abajo

del canal (Figura 3.3).

Figura 3.4. Modelo de presas utilizadas en la realizacin de los ensayos.

3.2 INSTRUMENTACIN

Instalacin de los equipos de video

Los perfiles se registraron mediante grabaciones efectuadas con dos cmarasde video digital marca Sony modelos DSC-HX1 y DSC-F828, colocadas a un lado

del canal a una distancia de un metro y medio de ste de manera de realizar un

enfoque lateral del canal experimental, ambas cmaras fueron dispuestas de forma

consecutiva y colocadas en una base trpode a una misma altura, se colocaron miras


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graduadas en diferentes progresivas sujetas al vidrio del canal para ser usadas de

referencia. El resultado entre las dos cmaras fueron dos videos con rango de visin

del canal cercano a dos metros para cada una y con una franja de solapamiento que

sirvi para luego unir mediante programas de edicin de video los dos rangos devisin y obtener as el seguimiento visual de lo ocurrido hasta aproximadamente 3

metros de progresiva medidos desde la presa hacia aguas arriba. Adicionalmente y

con el fin de sacar ms provecho a los experimentos se captur videos cortos de

seguimiento de partculas con una cmara de alta velocidad marca Photron, modelo

APX-RS, con capacidad de captura de 3000 cuadros por segundo para una resolucin

de 1024x1024 pixeles, perteneciente al Instituto de Mecnica de Fluidos. Adems se

emple una cmara de video marca Sony, modelo DCR-DVD 405 para capturar

vistas generales que permitieron registrar aspectos importantes de los ensayos, como

vistas frontales a la presa, vistas de planta del flujo y vistas descriptivas del proceso

de vertido de la arena.

Instalacin de sensores de nivel de agua

Fueron instalados 5 sensores de nivel, de la marca National Instruments, a lo

largo del canal, sujetos en bases movibles a conveniencia de cada prueba y colocados

de la siguiente forma, dos de ellos cercanos a la presa, dos cercanos a la progresiva

donde se forma el resalto hidrulico y el ltimo, aguas arriba del resalto.

El canal se dot de un sistema de adquisicin de datos realizado por el

estudiante de pregrado de Ingeniera Elctrica Vctor Devia, quien realizaba su

trabajo especial de grado titulado DISEO E IMPLEMENTACIN DE UNSISTEMA DE INSTRUMENTACIN ELECTRNICA PARA LA CAPTACIN

DE DATOS Y AUTOMATIZACIN DEL CANAL DE FLUJO TORRENCIAL

PARA EL LABORATORIO DEL INSTITUTO DE MECNICA DE FLUIDOS

(IMF-UCV) referente a la instrumentacin del canal. sta sirvi no solo para el


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manejo de los datos arrojados por los sensores sino tambin para el control

automatizado del encendido de las bombas y de la variacin de la pendiente del canal

(Devia, 2009). La adquisicin de datos se bas en el diseo de una interfaz hardware-

software por medio de la cual los dispositivos utilizados en la prueba adquirieron losdatos para ser visualizados directamente a travs del PC, guardndolos directamente

en la computadora para posteriormente realizar el anlisis y comparaciones

respectivas. La plataforma de programacin fue el lenguaje LabView, software

especializado en adquisicin y procesamiento de datos provenientes de instrumentos

de medicin.

Medicin del caudal Lquido

El caudal se midi con un recipiente suficientemente ancho para captar toda el

agua que verta en el extremo inferior del canal de dimensiones 40 cm de altura y

base 60x80 cm, junto con el uso de un cronmetro se procedi a efectuar varios

aforos volumtricos antes de cada experimento y se promediaron obteniendo as los

valores del caudal para cada pendiente que fueron utilizados en los clculos.

3.3. INSTALACIN Y ACONDICIONAMIENTO DE TOLVA.

Aguas arriba del canal se instal una tolva de forma cnica, se calibr la

vlvula de apertura de la tolva en dos graduaciones con lo que permiti el paso de un

caudal slido constante de 2.82 l/min y otro del doble (5.64 l/min), para obtener

resultados a dos concentraciones distintas.


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36

Figura 3.5.Tolva para la administracin del sedimento

3.4. EXPERIMENTOS REALIZADOS

Una vez completada la fase de acondicionamiento del canal se comenz con

el proceso experimental, el cual se refleja en el siguiente esquema:

Figura 3.6.Esquema de los ensayos realizados para distintas pendientes y caudal slido

V l vu l a pa r a

g r a dua r l a s a l i da

de a r e na

T o l va l l e na de

a r e na

F l u j o de a r e na pa r a una

de t e r m i na da a be r t u r a de

v l vu l a

B a l d e d e

v o l u m e n

c o n o c i d o

M a n i v e l a p a r a

a c c i ona r l a v l vu l a


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El procedimiento experimental se llev a cabo de la siguiente manera:

- Posicionamiento y encendido del equipo instrumental:

Se encendieron las bombas y luego se abrieron las vlvulas de cada bomba ala vez para evitar inestabilidad en el bombeo debido a la diferencia de potencia

existente entre las dos bombas centrfugas y a que se encontraban dispuestas en

paralelo.

Una vez que se alcanz la estabilidad del flujo de agua sola en el canal se

determin la progresiva en la que se formaba el resalto hidrulico y en base a sta se

posicionaron los sensores de nivel, tres de ellos aguas abajo del resalto y dos aguas

arriba, con lo que se logr tener detalle de las pendientes de la superficie libre en los

dos regmenes del flujo presentes.

Se procedi a apagar las bombas para calibrar el fondo del canal en la visual

de cada sensor de nivel como valor cero.

- Pasos realizados en la prueba:

1.

Encendido del sistema de recirculacin: Se esper un tiempo para laestabilizacin del sistema, dicho tiempo era aproximadamente dos minutos, y

corresponda al momento en que el nivel de los tanques permaneci constante

(momento en que se igual la entrada de agua a los tanques con el caudal

succionado por las bombas). En dicho momento se realiz el aforo

volumtrico para la prueba.

2. Inyeccin del caudal slido: Luego de la estabilizacin del sistema se

comenz el suministro del caudal slido correspondiente para cada prueba. En

ste instante se inici la captura de los videos, correspondiendo al minuto 0 de

la prueba.


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3. Transcurrir de la prueba: El equipo de filmacin permiti registrar la

evolucin del proceso de transporte de sedimentos aguas arriba de la presa, el

proceso de transporte tuvo similitud con la onda de transporte de masa de unalud torrencial, durante la prueba la onda experiment un crecimiento vertical

a medida que se desplazaba haca la presa, al final del recorrido poda

aumentar o disminuir verticalmente hasta llegar a una estabilidad en la cual

todo el sedimento aportado se igual al saliente por la abertura de la presa,

este momento se denomin equilibrio y la nueva pendiente formada por la

cua de sedimento (delta de sedimentacin o simplemente delta) se le llam

pendiente de equilibrio de la prueba.

Una vez llegado al equilibrio se interrumpi la alimentacin del

material slido.

4. Estado final de la prueba: Se dej correr agua hasta que no se observaron

cambios apreciables o hasta donde alcanz la capacidad de almacenamiento

de las cmaras. Una vez llegado el final se procedi a apagar todo el sistema y

a resguardar la informacin generada por las cmaras y los sensores, vaciandolas memorias de las cmaras para disponer sus capacidades mximas en la

siguiente prueba.

5. Se retir el material acumulado a lo largo del sistema procurando dejar

completamente limpio de sedimentos el canal. El material retirado se extendi

sobre una lona colocada en el piso del laboratorio de forma que se aireara bien

para su secado y quedara en condiciones para usarse en otro experimento.

6.

Cuando se agotaba el material seco (con humedad insuficiente para producir

cohesin visible entre partculas cuando estaba en contacto con la atmsfera)

se detuvieron los ensayos durante tres o cuatro das (dependiendo del estado

del tiempo atmosfrico) durante los cuales se procedi a agitar en repetidas


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ocasiones los diferentes montculos extrados cada uno de una prueba

diferente, para acelerar el proceso de secado. Todos los experimentos fueron

realizados durante das soleados para obtener mejor iluminacin para las

cmaras y porque no se propuso tener control sobre la humedad atmosfrica lacual podra alterar los resultados.

El procedimiento descrito se repiti para cada uno de los experimentos.

3.5 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS

3.5.1. Medicin de los perfiles de flujo y la onda de sedimentos

La medicin de los perfiles se realiz mediante la vectorizacin con el uso de un

sistema de dibujo asistido por computador de instantes capturados en los videos, por

lo general cada minuto de prueba fue capturado y medido (ver anexos proceso de

medicin sobre los videos). En la tabla 3.1 se muestra el total de instantes extrados

de los dos videos, el total de imgenes que resultaron del procedimiento y el total de

perfiles que fueron vectorizados. Hay que recalcar que dicho procedimiento gener

un gran volumen de informacin que resulta difcil mostrar por completo en elpresente informe. Con la finalidad de exponer el procedimiento realizado se muestra

en la figura 3.7 el proceso de vectorizacin para que sirva como gua a quienes

deseen aplicar este procedimiento experimental en futuros ensayos.


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Tabla 3.1.Total de Perfiles extrados de los ensayos

EnsayoPendientedel Canal

Tipo dePresa

CaudalSlido

Nmero deinstantesextraidos

Nmero deImgenes

digitalizadas

Total dePerfiles de

aguaVectorizados

Total de perfilesde onda desedimento

vectorizados

Total deperfiles

vectorizados

15%

Ranura 2.82L/min

24 48 24 18 42

2 Ventana 25 50 25 20 45

3

7,50%

Ranura 2.82L/min

19 38 19 15 34

4 Ventana 17 34 17 13 30

5 Ranura 5.64L/min

19 38 19 15 34

6 Ventana 18 36 18 15 33

7

10%

Ranura 2.82L/min

14 28 14 11 25

8 Ventana 17 34 17 13 30

9 Ranura 5.64L/min

14 28 14 12 26

10 Ventana 18 36 18 15 33

Total 185 370 185 147 332

Figura 3.7.Procedimiento de vectorizacin de los perfiles en un software de dibujo asistido por computador.

Para el manejo de toda la informacin obtenida de los videos se hizo necesario

implementar una serie de herramientas de automatizacin de procesos mediante el

uso de rutinas de programacin las cuales se ha preferido mostrar con algo de detalle

en la seccin de anexos. Entre estos detalles se muestra el proceso de interpolacin de

los perfiles obtenidos como series de vectores con distintas longitudes, para

transformarlos a coordenadas (Progresiva, Cota) con intervalo constante de


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progresiva, lo que result necesario para poder realizar los clculos mostrados a

continuacin.

3.5.2. Clculo de las profundidades del flujo a lo largo del tramo medido.

La profundidad hidrulica de la cual dependen la mayor parte de las

ecuaciones tericas del flujo corresponde a la profundidad de la seccin del fluido

que se encuentra en desplazamiento haca el sentido del flujo (seccin por la que

escurre el total del caudal), para medir esta profundidad en un canal rugoso con

precisin, habra que definir primero la profundidad a la cual la velocidad del fluido

es cero producto de los efectos de capa lmite impuestos por el material sobre el cual

se desplaza el flujo, ese nivel marcara el principio de la profundidad hidrulica y sta

tendra el valor de la distancia desde el nivel mencionado hasta el nivel de la

superficie libre para la seccin. En la prctica resulta muy difcil definir con exactitud

el nivel de velocidades cero, para los clculos efectuados se consider ste nivel

como el nivel correspondiente a la mitad de la rugosidad media absoluta del lecho de

roca. Lo anterior es solo vlido para un flujo en el canal experimental antes de que se

le vierta sedimento.

En el caso del flujo cuando existe la presencia de la onda de sedimento,determinar el valor del caudal que escurre en la profundidad de lmina de agua

observada es lo que representa una gran dificultad. Por lo que aunque se logr obtener

de manera eficaz el valor de la profundidad, no as se pudo calcular con este valor los

diferentes parmetros hidrulicos dependientes de la profundidad y del caudal

asociado a ella.

3.5.3.Clculo de las variables hidrulicas.

Con la profundidad obtenida de los perfiles del flujo bajo las anteriores

consideraciones y el caudal medido en aforos volumtricos durante las pruebas se

procedi a calcular el valor de rugosidad de Manning y el nmero de Froude para


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cada progresiva constante de 1cm, del tramo levantado, para lo que se utiliz las

ecuaciones mostradas en el captulo II.

3.5.4. Clculo del Volumen de la onda de sedimento.

Obtenido el perfil de la onda de sedimento para cada instante como un juego de

coordenadas bidimensionales (Progresiva, Cota), para progresivas cada 1cm, se

calcul el volumen de la onda con la siguiente relacin.

[ + 2==0 ]

Siendo:

V: Volumen de la onda.

i: Contador desde la progresiva del inicio de la onda 0 hasta el total de

progresivas de la onda f.

Z: Cota medida del perfil para la progresiva i.

b: Ancho del canal igual a 30 cm.

Pi+1: Progresiva siguiente.

Pi-1: Progresiva anterior a la progresiva i.


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43

3.5.5. Clculo de la pendiente del cuerpo de la onda.

La pendiente de la onda se calcul para cada instante extrado con la siguienteexpresin.

Siendo:

: Pendiente promedio del cuerpo de la onda.Z: Cota para la progresiva correspondiente.

P: Progresiva desde que comienza el cuerpo de la onda (punto ms alto

del frente de la onda) hasta el final de la onda.

n: Contador que vara la progresiva.


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44

CAPTULO IV

RESULTADOS Y ANLISIS

A continuacin se presentan los resultados y sus anlisis para cada uno de los

10 experimentos realizados, cinco de ellos se realizaron en presencia de una presa con

ranura y los otros cinco en presencia de una presa con ventana. Los experimentos se

definen segn sus parmetros constantes, la pendiente de inclinacin del canal

experimental, el caudal lquido y el caudal slido suministrado. En los experimentos

con pendiente del canal de 5% se utiliz solo un caudal slido, para las pendientes de

7.5% y 10% se utilizaron dos caudales slidos diferentes, uno corresponde al valor

lmite que puede transportar el flujo para las condiciones de suministro y el otro a la

mitad de este valor. Los ensayos se presentan ordenados segn la pendiente y el

caudal slido de menor a mayor valor, y alternando el tipo de presa.


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CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS

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4.1 ENSAYO #1. PRESA RANURADA (So=5%, Qs=2.82L/min).

En la Tabla 4.1 se presentan las caractersticas generales del experimento .

Tabla 4.1. Ensayo #1.Caractersticas generalespara la presa ranurada (S=5%, Qs= 2.82L/min).

Caractersticas ValorTipo de presa Con RanuraPendiente del Canal 5%Caudal Slido 2.82 l/min 7.47kg/minCaudal Lquido 4.5 L/sProfundidad Crtica Yc 2.84cmN de Manning Sobre el Lecho Fijo de grava 0.02889

Pendiente de Equilibrio 3.08%Volumen del Delta en el Equilibrio 37 litrosTiempo en alcanzar el Equilibrio 18 minutos

En la Tabla 4.2 se muestran los valores calculados de la posicin del frente y

cola de la onda, su velocidad de avance, longitud y la evolucin de su pendiente en el

tiempo.

En el Anexo 1 se exponen los grficos de los perfiles obtenidos para cada

instante de la prueba y con los cuales se obtuvieron los resultados reflejados en las

tablas.


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Tabla 4.2. Ensayo #1 Evolucin de la onda de sedimentacin para diferentes instantes para una presa ranurada( S=5%, Qs= 2.82L/min. )

MinutosProgresiva

del frente de

onda (m)

Progresivafinal de onda

en la cola (m)

Velocidad del Frentede Onda (aguas

abajo) (m/min)

Velocidadaguas arriba

(la cola)(m/min)

Longitud de la

onda (m)

Pendiente delfrente de la

Onda ()

Pendientedel

cuerpo de

Onda(%)

6 1.07 2.32 30.46 4.607 0.99 2.24 0.08 -0.08 1.25 30.46 4.608 0.85 2.34 0.14 0.10 1.49 15.11 3.169 0.91 3.00 -0.06 0.66 2.09 39.18 3.05

10 0.74 3.00 0.17 0.00 2.26 38.41 2.9711 0.56 3.00 0.18 0.00 2.44 56.83 3.0712 0.42 3.00 0.14 0.00 2.58 33.98 2.9413 0.36 3.00 0.06 0.00 2.64 36.13 2.8614 0.26 3.05 0.10 0.05 2.79 36.32 2.9415 0.12 3.56 0.14 0.51 3.44 37.38 3.1716 0.01 3.55 0.11 -0.01 3.54 39.69 3.00

17 0.00 4.28 0.01 0.73 4.28 38.66 3.2818 0.00 5.44 0.00 1.16 5.44 23.12 3.08

19 0.00 4.85 0.00 -0.59 4.85 36.35 3.3020 0.00 4.71 0.00 -0.14 4.71 39.28 3.34

21 0.00 3.53 0.00 -1.18 3.53 41.83 3.3522 0.00 3.31 0.00 -0.22 3.31 33.46 3.0523 0.00 3.00 0.00 -0.31 3.00 37.20 2.9024 0.00 3.00 0.00 0.00 3.00 34.22 2.80


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La condicin inicial se estableci con un flujo de agua sin sedimentos, una

vez alcanzada la permanencia se observaron dos estados del flujo, uno aguas arriba

donde la profundidad es relativamente baja y constante y se asemeja a un perfil del

tipo S2 hasta alcanzar la profundidad normal del flujo y donde se presenta un rgimenuniforme y otro donde se produjo un aumento progresivo de la profundidad hasta

alcanzar la presa semejante a un perfil del tipo S1. Se verific calculando el nmero

de Froude que las condiciones aguas arriba estn regidas por un flujo supercrtico

(Froude=1.21 en promedio), con nmeros de Froude mayores a la unidad a lo largo

del tramo (ver el Grfico 4.1). El segundo tramo se verific que posee condiciones de

flujo sub-crtico (n de Froude


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El flujo del tramo aguas arriba del resalto se encontr en estado supercrtico y

con profundidades comprendidas entre 2.5 y 3 cm, profundidades medidas desde el

nivel que corresponde a la mitad de la rugosidad media absoluta del lecho (0.6 cm

medidos desde el nivel medio de los valles), las irregularidades del fondo ejercengrandes perturbaciones al flujo generando inclusive componentes de velocidad

negativas en algunos puntos con respecto a la direccin de su desplazamiento, dando

como resultado perfiles de velocidades ms complejos. En la Figura 4.1 se observa

las fuertes ondulaciones en la superficie libre del agua caracterstico de un flujo

turbulento.

Figura 4.1. Ondulaciones en la superficie libre del agua

Si bien analizar el flujo segn las expresiones que se hallan en la bibliografa

lleva a cometer errores en los valores obtenidos para las variables, debido a que se

determinaron bajo otras condiciones en el laboratorio, el anlisis de estos resultadospermite observar condiciones generales del comportamiento del flujo como el cambio

de rgimen y la ubicacin del resalto subsecuente. Cabe destacar que aguas abajo del

resalto donde la profundidad del flujo aumenta considerablemente, los efectos del

fondo se hacen menos apreciables y por lo tanto se obtienen valores ms precisos.


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49

Una vez iniciado el suministro de sedimento, ste descendi transportado por

el flujo en forma de acarreo en suspensin y de arrastre de fondo ya que las partculas

viajan con movimientos aleatorios e independientes unas de las otras. Transcurridos 6

minutos desde el momento de inicio del suministro de material slido se form laonda de sedimento que abarc la progresiva 1,07 metros (en el frente de la onda)

hasta la progresiva 2.32 metros (final de la cola de la onda), medidos desde la presa.

Analizando con ms detalle, entre los minutos 5 y 6 del experimento se produce el

momento en que el acarreo en suspensin y en transporte de fondo cambia su

mecnica de transporte a un acarreo en masa (se forma la onda de sedimento), el

lugar donde se forma la onda de sedimento se ubic ligeramente aguas abajo de la

seccin donde se produjo el cambio de estado del flujo, el resalto es desplazado hacia

aguas abajo a medida que avanza la onda y se ubica cercano al frente de la misma

como se aprecia en la Figura 4.2.

Figura 4.2. Desplazamiento del Resalto

La onda creci en tres dimensiones, su cola se extendi hacia aguas arriba,

hacia aguas abajo el frente avanz con velocidad promedio de 11 cm por minuto y

aument el espesor de la cua. La evolucin de la onda se aprecia en el Grfico 4.2


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donde se representan los perfiles para el agua y la onda de sedimento en los minutos

iniciales, en el equilibrio, el final y en algunos instantes intermedios que permiten

observar el comportamiento descrito.

En el Grfico 4.2 adems se indica el valor calculado para la pendiente del

delta en el instante de equilibrio (3.08%), que corresponde al 62% de la pendiente

original del canal (5%) y se encuentra dentro del rango propuesto por la experiencia

japonesa para pendiente de compensacin .3

2

2

1

C


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51

Grfico 4.2. Ensayo #1, Evolucin de la onda de sedimento para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min.). (Direccin del flujo hacia la izquierda)


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52

Detallando mejor el proceso de sedimentacin aguas arriba de la presa, se

observ el avance progresivo de la onda (Grfico 4.3). Transcurridos 16 minutos de

prueba, el frente de la onda lleg al sitio de presa (progresiva =0) y luego, en el

minuto 18 se observ que su tamao permanece invariante, en este instante es en elque se alcanz el estado de equilibrio. Durante esta prueba el retroceso de la onda de

sedimento (sin suministro de arena) present mayor valor de cota que durante los

instantes anteriores, pero el volumen es menor que en el instante de equilibrio debido

a la diferencia de longitud de la onda entre ambos instantes y a la presencia de un

cauce central formado por erosin durante el retroceso de la onda.

Grfico.4.3. Ensayo #1. Proceso de sedimentacin aguas arriba para la presa ranurada(S=5%, Qs= 2.82L/min.)


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53

El nmero de Froude calculado sobre la onda de sedimento y hacia aguas

arriba arroja valores muy superiores a la unidad (flujo supercrtico) y en las cercanas

de la presa pasa a ser sub-crtico, cruzando el valor crtico en adelante del frente de la

onda (se forma un resalto hidrulico). El nmero de Froude decrece hasta alcanzar lapresa (donde F=0.20) debido al aumento de profundidad por los efectos de control de

la estructura.

Aunque haya ocurrido la disminucin en la pendiente del cauce, se observ

una considerable disminucin de la profundidad de la lmina de agua comparada con

los minutos iniciales donde el lecho en contacto con el agua era de grava (Grfico

4.2.), lo que sugiere una rugosidad menor de la cua de sedimento en comparacin a

la de la grava, el clculo de esta rugosidad no puede ser efectuado mediante los

mtodos tradicionales ya que habra que considerar la condicin de fondo mvil y que

no todo el caudal que ha sido medido circul por encima del delta, pues tambin se

present flujo sub-superficial.

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Presas abiertas para control de sedimentos en ríos de montaña