Evaluación de la estabilidad de un cauce - Universidad del Cauca

Evaluación de la estabilidad deun cauce

LA HIDRÁULICA FLUVIAL TIENE UN CARÁCTEREMPÍRICO POR LO QUE NO HAY MÉTODOS ÚNICOSNI PRECISOS PARA DETERMINAR ELCOMPORTAMIENTO DE UN RÍO NI SUS RESPUESTAANTE INTERVENCIONES ANTRÓPICAS.LA HIDRÁULICA FLUVIAL, SIGUE SIENDO MÁS UNARTE QUE UNA CIENCIA.MUCHO DEPENDE DE LA FORMA EN QUE ELINGENIERO ENTIENDA EL COMPORTAMIENTO DEUN RÍO Y VISUALICE SU INTERACCIÓN CON ELENTORNO.

Evaluación de la estabilidadde un cauce• Nivel 1: Aplicación de conceptos geomorfológicossencillos y otros análisis cualitativos basándose enmapas, fotografías aéreas, fotografías, reporteshistóricos del cauce, actividades del hombre y cambioshidrológicos e hidráulicos.• Nivel 2: Aplicación de conceptos básicos de hidrología,hidráulica y transporte de sedimentos.• Nivel 3: Aplicación de modelaje físico y matemático.Para su ejecución se requiere de la misma informacióndel Nivel 2 pero típicamente en mayor detalle para usarmodelos computacionales como el HEC-6 o construirmodelos físicos.

Evaluación de la agradación odegradación a largo plazo1) Evaluación cualitativa• Relación de LaneQS ≅ S b D 50

QS ≈ S b D 50Balanza de Lane Rosgen, 1996.

Construcción de una presaCambios esperados en el cauce debido a la construcción de una presaAguas arriba de la presa, en el embalse, se presentará depositación, por tanto,el lecho se agradará. El agua que sale del embalse estará libre de sedimento,por lo cual se presentará una reducción en S b . Asumiendo que el caudal sea elmismo (aguas abajo se garantiza el mismo caudal del río) y que el diámetromedio permanece constante, entonces la pendiente S debe disminuir aguasabajo para equilibrar la proporcionalidad.

Aguas arriba0 ++≈Q S S D b 500Aguas abajoQ0S−≈S-bD050QS ≈ S b D 50

Cambios en un afluente por reducción enel nivel base del cauce principalLa profundidad media del flujo en el canal principal actúa como nivelbase para los afluentes. Si el nivel base en el canal principal habajado por algún cambio natural en el río o por algún cambioinducido por el hombre (por ejemplo, que el canal principal alimenteun embalse y éste sea drenado).

Q0S+≈S+bD050DegradaciónQS ≈ S b D 50

Otras relaciones morfológicasQ≈B,h,MSLSb ≈B,S,Mh,PLF=Bh≈QM

Otras relaciones morfológicas+ ≈ B+h+M+SQ , , ,L−− ≈−Q B , h , M ,L−−S++≈ B+h−M+S+P−bS , , , ,L−≈b−S B , h , M , S ,LBh++−F = ≈ Q , M−−−P+

Otras relaciones morfológicasEjemplo 1Se ha desforestado una cuenca y se estima queel gasto y el material transportado aumentaránen los próximos años. Se desea saber cuálesson los cambios morfológicos que debenesperarse en el río principal de dicha cuenca.

Solución• Según Lane+−Q S ≈ S D b 50+−QS ≈ S b D 50

• Otras relaciones morfométricas+ ≈ B+h+M+SQ , L ,−,+ − + + −S + ≈ B , h , M , S , PLbF+ = hB+±++b+Q S ≈ B , h , M , S , P ,L±+±−F+

Ejemplo 2Supóngase que se construye una presa en un río, lacual retendrá gran cantidad del sedimentotransportado. Por tanto, en el primer tramo, aguasabajo de la obra, el caudal sólido disminuirá, pero ellíquido no.

SoluciónQL,+ ≈ + + +B , h , M S−−≈b−S B , h , M , S ,L+−−P++ BF = h+−b±+±Q S ≈ B , h , M , S , P ,L+±−+F−

Agradación o degradación de uncauce a largo plazo2. Evaluación cuantitativa1. Movimiento incipiente de sedimentos2. Acorazamiento3. Análisis de la pendiente de equilibrio4. Control del nivel base5. Análisis de la continuidad del sedimento6. Modelación del transporte de sedimentos

Agradación o degradación de uncauce a largo plazo• MovimientoEvaluación cuantitativaτD = cK s sincipiente( ) γ − γPara arenas2 2γτ = nV/R13τ =Para materiales granulares gruesosk s = rugosidad del sedimento, usualmente se toma 4.5 D 84 .ρV2⎡ ⎛12.27R⎢575. log⎜⎣⎢ ⎝ k s⎞⎤⎥⎟⎠⎦⎥2

Agradación o degradación de un cauceEvaluación cuantitativaAcorazamiento del cauceDs⎛ 1 ⎞= y⎜ −1⎟a⎝ Pc⎠

Agradación o degradación de un cauceEvaluación cuantitativaAnálisis de la pendiente de equilibrioAgua claraS⎡= ⎢K D⎣⎢eq s c⎛ γ⎜⎝s− γ ⎞⎤⎟⎥γ ⎠⎦⎥10/ 7 67 /⎛ 1 ⎞⎜ ⎟⎝ qn ⎠Tamaño crítico D 90 ( D )Seq = 28 0 50.( D )9010/ 7 97 /n514 / 67 /q

Agradación o degradación de un cauceEvaluación cuantitativaAnálisis de la pendiente de equilibrioLecho vivo o lecho móvilq =saVbhcSeq=⎛⎜⎝qas⎞⎟⎠310( )c−bq( )22b+3c( )3 c−b2n( ) ( )502−b−c239 . −0.8log −14.50( ) ( D )a = 0. 3048 0. 025n D −0.07b( D )= 493 . −074 . log50c( D )=− 046 . + 065 . log50

Control del nivel baseD s = L(S ex -S eq )

Análisis de la continuidad del sedimento∆V = V −V( ) ( )sentrassale

Modelación del transporte de sedimentosGeometría del cauce y las zonas de inundaciónGeometría de la estructuraRugosidad del cauceControles verticales geológicos y estructuralesPerfiles del aguaHidrogramas de entrada de un evento o a largo plazoHidrogramas de entrada de tributariosGradaciones del material del lechoAporte de sedimentos desde aguas arribaAporte de sedimentos de los tributariosSelección de la relación de transporte de sedimentos másapropiadaProfundidad del estrato aluvial

• Ecuaciones para socavación generalNivel de crecientehH shmLecho natural enaguas bajasD sLecho socavado

Ecuación de Laceyh =m0.128QD1/ 31/ 6mEn tramos rectos: Hs ≅ 1.25 hmEn tramos curvos: Hs´ ≅ 2.00 hmLa erosión general resultante es:Nivel de crecienteDs = Hs -hhH shmLecho natural enaguas bajasDsLecho socavado

Ecuación de BlenchSección del ríoFactormayoranteKh m=⎡α ⎢⎢⎣qg⎤⎥⎥⎦2 / 3Tramo recto delcauceCodo moderadoCodo acusadoCodo abrupto1.251.501.752.00Hs=Khm=⎡Kα⎢⎢⎣qg⎤⎥⎥⎦2 / 3Nivel de crecientehH shmLecho natural enaguas bajasDsLecho socavado

LaceyBlenchαDiámetro medio del material del lecho (mm(mm)

Método de Altunin: sólo requiere del conocimiento de las característicasde la curva en planta y el tirante de agua máximo aguas arriba delpuente. La máxima profundidad de socavación puede ocurrir encualquier parte a lo largo de la curva, pero más frecuentemente sepresenta hacia aguas abajo de ella.H= εsh mD s =Hs−hm..H s = profundidad de socavación general medida desde la superficie del aguaH m = tirante de agua máximo en creciente en el tramo recto aguas arriba del puenteε = coeficiente que depende de la relación r a /Br aSocavación en curvas= radio de curvatura medido al centro del cauceB = ancho de la superficie libre del aguaCoeficiente de Altunin. Maza Alvarez, J. A. (1987).r a /B ∞ 6 5 4 3 2ε 1.27 1.48 1.84 2.20 2.57 3.00

Erosión lateral en curvasHEC-20 (2001) presenta la siguiente ecuación para determinaraproximadamente la máxima distancia de erosión lateral.∆ max = 2.5 a 3.5 W D∆ max = máxima distancia de erosión lateral referida a la dirección medialongitudinal del valleW D = ancho del cauce asociado al caudal dominanteQ D = caudal dominante o formadorλ = longitud del meandro

Variaciones del cauce en plantaS⎛ K ⎞= ⎜ ⎟Q⎝ 2.44 ⎠−0.25

Socavación al pie de presasSY4.75D0.20q0.57=0. 3290−TW

Trayectoria del chorroh c2Hx V ig= 2(H h)+x j= Vg

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