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• Diomira Chambi Ccama

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DEFINICION DE HIDRAULICA FLUVIAL La Hidráulica Fluvial, es una ciencia que estudia el comportamiento de los Ríos, considerando las siguientes características: Características físicas del Rio:   

Forma del rio: Longitudinal y transversal, Pendiente del rio, Sección del Rio.

Características hidráulicas       

Velocidad, Caudal, Tirante, Rugosidad, Esfuerzos tractivos, (esfuerzos de corte) Numero de Reynols, Numero de Froude, etc,

Características y propiedades del material constituyente en el Rio       

Características del Material del lecho, (peso específico, granulometría). Velocidades de caída de partículas, Inicio de movimiento de partículas, Transporte de solidos de fondo, Transporte de sólidos en suspensión, Socavación o erosión, Sedimentación.

Cuyo objetivo es el aprovechamiento del recurso hídrico y/o la reducción de los riesgos de daño a diferentes estructuras creadas por el hombre en afán de cubrir sus necesidades y mejorar su bienestar. DEFINICION DE FLUVIOMORFOLOGIA O MORFOLOGIA FLUVIAL La fluviomorfologia implica el estudio de los cambios que experimenta un rio, tanto en su recorrido (perfil longitudinal), como en su sección trasversal (lecho y márgenes), con el objetivo de comprender y explicar los fenómenos de agradación (sedimentación) y degradación (erosión) y la manera como el rio ha llegado a su forma presente.

CLASIFICACION DE LOS RIOS La clasificación de los ríos se puede realizar de diferentes maneras, pudiendo ser los siguientes:

De acuerdo a su Régimen Hidrológico. Ríos Efímeros.- Son aquellos ríos que llevan agua en episodios de fuertes precipitaciones, mientras que se mantienen secos el resto del tiempo. (Ríos de la Costa) Ríos Perennes.- Son aquellos ríos que llevan agua en forma permanente. (Ríos de la Selva y algunos de la Sierra, los mas importantes). De acuerdo al Lecho de Fondo Ríos Aluviales.- Son aquellos ríos que tienen un cierto espesor de material granular prácticamente suelto y por lo general presentan mucho más extensión horizontal, que la del cauce promedio, estos a su vez se dividen de acuerdo a su Composición del Material Aluvial Ríos de Arena, Prioritariamente está formado de arenas pudiendo haber material de tamaño de gravas, pero en cantidad no significativa, por lo que la dispersión granulométrica es relativamente pequeña. Ríos de Grava, hay tanto arenas como gravas, pero prioritariamente gravas, se puede producir el fenómeno de acorazamiento. Ríos Acorazados, El acorazamiento es un fenómeno natural que bajo determinadas circunstancias se presenta en un lecho móvil, mediante el cual la capa superficial está constituido por gravas y el lecho inferior por arenas. Desde el punto de vista práctico el acorazamiento significa que una fracción de los sólidos de fondo (los más gruesos) actúan como elementos de protección contra la erosión de los menos gruesos (arenas), pero también esto puede traer problemas al arrastrarse el material grueso, encuentra un material fino mucho más fácil de erosionar y causar problemas a alguna estructura.

Ríos de Lecho Cohesivo.- Aquellos ríos en el cual su lecho está formado por limos, arcillas, y material fangoso. Ríos de Lecho Rocoso.- Aquellos ríos en el cual en su lecho hay presencia significativa de rocas o parte del lecho está formado por material rocoso prioritariamente. De acuerdo a su Forma o Clasificación Morfológica. Ríos Rectos.- Prácticamente no existen ríos rectos en la naturaleza, se aplica a un tramo del rio, a veces sucede que existe un sistema de encauzamiento recto, constituido por diques paralelos, pero dentro de él para caudales menores que el de su capacidad, el rio desarrolla su propia sinuosidad. Ríos Entrelazados o Trenzados.- Corresponde generalmente a ríos anchos, cuya pendiente es fuerte, lo que da lugar a pequeños tirantes y el rio corre en forma de varios canales o brazos alrededor de pequeñas islas. Lane planteo que dos causas explican la existencia de un rio entrelazado y son: 1.- Exceso de Sedimento que el rio no puede transportar en su totalidad, una de los cuales deposita y da lugar a formación de islas y 2) Pendiente fuerte, lo que origina pequeños tirantes. Uno de estos factores o los dos juntos, son causas de aparición de ríos entrelazados.

Ríos Meándricos.- Están formados por una sucesión de curvas. Las características de estas curvas son muy dinámicas, que no se deben esencialmente a las propiedades del terreno, si no a la naturaleza del comportamiento fluvial. De acuerdo a su Régimen Hidráulico Estas características varían de un periodo a otro, pudiendo ser: Ríos de Régimen Subcritico - Froude < 1 Ríos de Régimen Supercritico - Froude >1 El caudal a considerar será referente al máximo caudal con cierto periodo de retorno. De acuerdo al Desplazamiento del Cauce Ríos sin áreas de inundación (ríos confinados). Ríos con áreas de inundación. Requiere obras de protección previo estudio económico de rentabilidad. De Acuerdo a su Edad Ríos Jóvenes.- Corresponde al estado inicial de los ríos, cuando el agua forma su curso inicial, esta tiene una sección en forma de V y son muy irregulares. Ríos Maduros.- Cuando el rio se convierte en maduro, se amplía su sección transversal, disminuye la pendiente, este rio está próximo al estado de equilibrio. La pendiente y la energía del rio son suficientes para transportar el aporte solido que llega a él. Hay desarrollos agrícolas y urbanos en las planicies aledañas. Ríos Viejos.- Los ríos viejos corresponden a un estado más avanzado de desarrollo. La pendiente del rio se estabiliza y se encuentra en estado de equilibrio. El ríos esta encauzado y controlado. Hay un uso intensivo de todo el valle. Hay desarrollos urbanos, agrícolas e industriales importantes. GEOMETRIA HIDRAULICA DE UN RIO Este concepto está referido en relación con la predicción de la variación de las características geométricas y pendientes de un rio cuando se modifica alguna de las condiciones naturales de la cuenca y/o del rio. ALGUNAS RELACIONES GEOMETRICAS Lane propuso una relación para determinar si un rio es entrelazado o meandrico, considerando la pendiente del rio y el caudal. (En unidades inglesas) Si

S * Q0.25 > 0.010 es del tipo entrelazado,

Si

S * Q0.25 < 0.017 es del tipo meandrico.

El caudal en ft3/s y S=ft/ft. Otras relaciones proponen lo siguiente para ríos del tipo meandrico:

Consideran que la longitud de onda es aproximadamente entre 7 y 11 veces el ancho del cauce, siendo más común 10 veces el ancho del cauce y la amplitud es aproximadamente 3 veces el ancho del cauce.

La anchura es proporcional a la raíz cuadrada del caudal: Es decir que un rio cuatro veces más caudaloso tendría una anchura aproximadamente del doble.

B=(Q)1/2

TEORIA DEL REGIMEN Y ESTADO DE EQUILIBRIO CONCEPTOS PREVIOS GRADOS DE LIBERTAD Escurrimiento con un grado de libertad.Se dice cuando se tiene un canal con ancho, pendiente y un gasto determinado, este escurrimiento tiene un grado de libertad y basta una ecuación para conocer el tirante que es la única variable. Escurrimiento con dos grados de libertad Se dice cuando se tiene un canal, además de hacer pasar el gasto liquido se alimenta constantemente de un cierto gasto sólido, se ajustaran la pendiente del fondo y el tirante, hasta lograr valores tales que el gasto liquido sea capaz de arrastrar el material sólido (gasto solido), entonces se dice que el escurrimiento tiene dos grados de libertad, ya que se puede ajustar el tirante y la pendiente y se necesitaría dos ecuaciones para el cálculo las dos variables. Escurrimiento de tres grados de libertad. Si se forma un canal y si se alimenta un gasto líquido y un gasto sólido como en el caso anterior, se ajustara la pendiente, ancho y tirante de la sección hasta que el gasto liquido arrastre en forma uniforme y continua el sedimento alimentado. En estas condiciones se dice que la corriente tiene tres grados de libertad y se requerirán tres ecuaciones a fin de definir el estado de equilibrio.

Si se permiten todos los grados de libertad, un rio es una corriente de agua que forma su cauce ajustando libremente, su ancho, su pendiente y su nivel de aguas, hasta que llega a un estado de equilibrio.

ESTADO DE EQUILIBRIO Estado de Equilibrio, se dice a un tramo de un rio cuando la cantidad de solidos que ingresa es igual a la que sale, en un tiempo determinado. En dicho tramo no hay erosión ni sedimentación. Evidentemente que el estado de equilibrio solo puede entenderse como una condición media en el tiempo. Cuando un tramo fluvial se encuentra en estado de equilibrio, significa que la pendiente, la geometría del cauce, la descarga, la rugosidad y cualquier otra característica hidráulica son las requeridas para transportar los sólidos que ingresan a dicho tramo. La pendiente de un tramo fluvial en estado de equilibrio recibe el nombre de perfil o pendiente en equilibrio.

ESTABILIDAD ESTATICA, ESTABILIDAD DINAMICA Y ESTABILIDAD MORFOLOGICA Estabilidad Estática.Se presenta cuando en una corriente los márgenes y el fondo permaneces constantes, por lo que la sección no varía y en planta el rio no sufre ningún corrimiento lateral. Este grado de estabilidad lo tienen los canales sin arrastre de sedimentos o algunos ríos durante la época de estiaje. Estabilidad Dinámica.Corresponde a los ríos o canales que tienen un solo cauce y todo el gasto pasa por él, además existe arrastre de sedimentos y aunque sus secciones transversales llegan a variar, ellas son aproximadamente similares año con año, al ser observados en la misma época. Estabilidad Morfológica.Cubre el concepto más amplio, esto es que en cualquier cauce natural, la pendiente, el ancho, tirante y numero de brazos por lo que escurre el gasto, dependen de las características del sedimento, de la calidad y cantidad del transporte de sedimentos y su distribución anual de caudal que procede de aguas arriba o que es aportado lateralmente. TEORIA DEL REGIMEN Esta teoría tiene como objetivo lograr el dimensionamiento (ancho, tirante y pendiente) de canales y/o ríos donde se pretende construir alguna estructura hidráulica, de modo que no se produzca erosión ni sedimentación, es decir que se logre el estado de equilibrio. A dichos ríos o canales, en los que no existe erosión ni sedimentación, los llamamos ríos o canales en régimen. Se puede considerar que la teoría del régimen se originó en la India con los trabajos del Ing. Kennedy, cuando en 1895 estableció una relación empírica entre el tirante y la velocidad media para el diseño de canales en régimen.

CAUDAL DOMINANTE O GASTO FORMATIVO Es el caudal o gasto que originó la forma del rio, llamado también descarga de formación del lecho. Este valor es el que se utiliza en los métodos de la Teoría del Régimen y para hallar este valor existen tres métodos: Primer criterio.- El Caudal dominante, es el que resulta de un análisis de frecuencias de datos de caudales promedios se calcula para un periodo de retorno de 1.4 años. Segundo criterio.- Algunos consideran que el caudal dominante es el gasto máximo que es capaz de pasar por una sección del cauce principal sin que se desborde. Tercer criterio.- El caudal dominante es el caudal promedio anual, que transportaría la misma cantidad de material de fondo que con el hidrograma anual de caudales.

METODOS DESARROLLADOS EN LA TEORIA DEL REGIMEN: Existen varios métodos, de los cuales enumeraremos algunos:       

Método de Lacey, Método de Blench, Método de Altunin, Método de Maza-Cruickshank, Método de Pettit, Método de Simmons y Alderson. Otros…

Para el presente curso desarrollaremos los tres primeros: METODO DE LACEY (1929) Establece las siguientes formulas:

𝐵 = 4.831 ∗ 𝑄0.5 1

𝑄 3 𝑦 = 0.474 ∗ ( ) 𝑓 3

s=

𝑓 = 50.60 ∗ 𝐷𝑚0.5 1

0.0002032∗𝑓2 ∗𝑦 2 𝑅ℎ

𝑅ℎ =

𝐵∗𝑦 (𝑠𝑒𝑐𝑐. 𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟) 𝐵+2∗𝑦

Donde: B = Es el ancho de la superficie libre del agua en metros. Q = Es el caudal dominante en m3/s. Y = Es el tirante medio en metros. Dm = Diámetro medio del material de fondo en metros, D50. S = pendiente m/m. Rh= Radio Hidráulico de la sección en metros. Las características de los canales en los que Lacey hizo sus estudios eran las siguientes: Material de fondo no cohesivo (material suelto). Diámetro medio entre 0.15 mm y 0.4 mm. Ondulaciones en el fondo. Trasporte de material de fondo inferior a 500 ppm. Caudal dominante entre 1.4 m3/s a 280 m3/s.

METODO DE BLENCH (1960) Blench hace uso de dos factores: Fb y Fs, siendo: Fb es un factor que depende de la Naturaleza del lecho, específicamente del tamaño del material de fondo. Fs es un factor sedimentológico lateral y su valor depende de la erosionabilidad de los márgenes. Las formulas establecidas por Blench, adaptadas al sistema métrico son:

𝐹

𝐵 = 1.81 ∗ √ 𝑏 *𝑄 0.5 𝐹𝑆

3

𝐹

1

𝑌 = √ 𝑠2 *𝑄 3 𝐹 𝑏

𝑆=

0.56

5 ∗ 𝐹𝑐 ∗ 𝐹𝑏6 1 𝐾 ∗ 𝑄6

∗

1 12 𝐹𝑠

𝐹𝑏 =1.9*√𝐷50 *(1+0.12c) Fs = 0.1 Para materiales sueltos fácilmente erosionables. Fs = 0.2 Para materiales ligeramente cohesivos. Fs = 0.3 Para materiales cohesivos o de difícil erosión.

𝐹𝑐 = (

1 + 0.012 ∗ 𝑐 ) 𝑐 1 + 2330

𝐾=

6.03 ∗ 𝑔 𝜈 0.25

Donde: Q es el caudal dominante en m3/s. B es el ancho en metros. Y es el tirante en metros. D50 es el diámetro medio en mm. c es la concentración de solidos de fondo en partes en peso por 100,000.

𝜈= viscosidad m2/s. g= gravedad m/s2 . S= pendiente en m/m

METODO DE ALTUNIN Altunin tomo en cuenta los siguientes criterios: Criterio geográfico-geomorfológico de los ríos, así diferencia tres tipos de ríos, ríos de zona montañosa, ríos de zona intermedia y ríos de zona de la planicie. La mayor o menor resistencia de las orillas a la erosión. La rugosidad del lecho (n de manning). El esfuerzo tractivo requerido para mover los sólidos de fondo. Las formulas planteadas por Altunin son:

𝑄0.5 𝐵 = 𝐴 ∗ 0.2 𝑆 𝐴 = (𝑛 ∗

3 5 (3+5𝑚) 𝐾3)

0.056 ∗ (𝛾𝑠 − 𝛾) ∗ 𝐷50 𝑚=( ) 𝛾 ∗ 𝑅ℎ ∗ 𝑆

0.1

𝑇𝑐 0.1 =( ) 𝑇𝑜

Cuando no se tienen los datos necesarios para determinar el valor de m, se utiliza 0.5 para ríos de montaña, 0.7 para ríos de zona intermedia y 1 para ríos de planicie. K es un coeficiente que depende de la resistencia de las orillas a la erosion cuyos valores son de 3 a 4 si el material es resistente a la erosión y de 16 a 20 para material fácilmente erosionable. Por cuestiones prácticas para ríos aluviales este valor se toma igual a 10. Donde: Q es el caudal dominante en m3/s. B es el ancho en metros. S es la pendiente del rio en m/m

ɣs es el peso específico del sólido en kg/m3. ɣ es el peso específico del agua en kg/m3. D50 es el diámetro medio en metros.

Rh es el radio hidráulico en m. Tc = Esfuerzo tractivo critico (kg-f/m2). To = Esfuerzo tractivo (kg-f/m2).