Estructuras Sobre Rios

8/12/2019 Estructuras Sobre Rios

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ISSN 0188-7297

Certif icac in ISO 9001:2008

Metodologa para la medicin de lavelocidad de flujo en un ro en el

diagnstico de la socavacin en pilas

de un puente, utilizando undispositivo electrnico

Gustavo Tapia RodrguezJuan Pablo Molina AguilarG. Benjamn Prez Morales

Andrs A. Torres Acosta

Publicacin Tcnica No. 356Sanfandila, Qro, 2012


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SECRETARA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTESINSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Metodologa para la medicin de la velocidadde flujo en un ro en el diagnstico de la

socavacin en pilas de un puente, utilizando

un dispositivo electrnico

Publicacin Tcnica No. 356Sanfandila, Qro, 2012


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Esta investigacin fue realizada en la Facultad de Ingeniera Civil de laUniversidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo, por el Ing. Gustavo TapiaRodrguez; en colaboracin con el M.I. Juan Pablo Molina Aguilar.

Agradecemos la sugerencia del M.C. Guillermo Benjamn Prez Morales, TcnicoAcadmico de la Facultad de Ingeniera Civil de la U.M.S.N.H.; de igual manera,las aportaciones, comentarios y sugerencias al Dr. Andrs A. Torres Acosta,investigador del Instituto Mexicano del Transporte .


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ndice

Resumen v

Abstract vii

Resumen Ejecutivo ix

1 Introduccin.. .. 11.1 Planteamiento del problema..... 1

1.2 Hiptesis............................................................................................... 2

1.3Objetivos................. 3

1.4 Importancia del estudio..3

1.5 Limitaciones del estudio....4

2 Revisin de literatura........7

2.1 Introduccin........ 7

2.2 Necesidad de la medicin de velocidades y caudal en ros...7

2.2.1 Concepto de distribucin de velocidades... 8

2.2.2 Medicin de velocidades.......... 10

2.3 Uso del molinete mecnico en la medicin de velocidades en cauces

naturales..12

2.3.1 Principio de funcionamiento..12

2.4 Uso de instrumentos electrnicos en la medicin de velocidades en

cauces naturales............ 132.4.1 Efecto Doppler.................................... 14

2.4.2 Medicin de la velocidad....... 14

2.4.3 Perfiladores de corriente de efecto Doppler: funcionamiento.... 15

2.4.4 Velocmetro acstico Doppler...16

2.5 Socavacin general en un ro...18


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2.6 Socavacin local en pilas de puentes.20

2.7 Utilidad de la nueva instrumentacin de medicin de velocidades en

cauces ........ .... 27

3 Metodologa.....293.1 Introduccin.....29

3.2Descripcin del sitio...30

3.2.1 Ubicacin.....30

3.2.2 Descripcin del puente..31

3.2.3 Descripcin de la corriente...31

3.3 Descripcin del Flow Tracker...33

3.3.1 Generalidades....33

3.3.2 Panorama general de uso del Flow Tracker.35

3.4 Pruebas de diagnstico de pre-utilizacin del Flow Tracker.. 38

3.5 Procedimiento de medicin de velocidades con el Flow Tracker en el

puente...42

4 Resultados y discusin .......45

4.1 Introduccin........45

4.2 Comportamiento general de la velocidad aguas arriba de la pila, en la

longitud de la pila y aguas abajo de la pila.48

4.2.1 Velocidad media.....48

4.2.2 Velocidad mxima..52

4.3 Anlisis del comportamiento de la velocidad en el sentido longitudinal

del ro..................55

4.3.1 Seccin longitudinal 1.......57

4.3.2 Seccin longitudinal 2.......59

4.3.3 Seccin longitudinal 3.......604.4 Anlisis de la velocidad en puntos especficos............... 64

4.4.1 Punto 1..... 64

4.4.2 Punto 2.....66

4.4.3 Punto 3........67

5 Conclusiones y recomendaciones .......73


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5.1Conclusiones...73

5.2Recomendaciones..75

BIBLIOGRAFA.77

ANEXOS 79


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Resumen

Este documento muestra dos importantes reas de estudio; que si bien son unenfoque de la hidrulica, concluyen en comn con la seguridad de puentes quepodra ser afectada por el fenmeno de socavacin de su sistema de soporte.

Por un lado, muestra el uso de nuevas tecnologas para la medicin develocidades o caudales en cauces naturales, en particular el uso del equipoconocido como Flow Tracker. Este es un instrumento electrnico que usa latecnologa Doppler para obtener datos de velocidad del flujo en sus componentesX, Y, Z; adems, explicamos en esta investigacin la informacin que se puedeobtener y las ventajas de su uso.

Por otro lado muestra un estudio del comportamiento del flujo frente a una pila deun puente ya existente, el cual se ubica en el camino que comunica la comunidadde Chincua con el Municipio de Tlalpujahua, en el estado de Michoacn.

Para ello, usamos el mtodo de las dovelas, para obtener as la distribucin develocidades en la seccin transversal. El procedimiento consisti en realizarmediciones con este equipo, en veinte ocasiones, a lo largo de 20 m, desde aguasarriba hasta aguas abajo del puente.

La informacin obtenida, fue procesada y analizada desde diferentes perspectivas,

velocidad media, velocidad mxima en secciones longitudinales y en puntosespecficos.


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Metodologa para la medicin de la velocidad de flujo en un ro en el diagnstico de la socavacinen pilas de un puente, utilizando un dispositivo electrnico

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Abstract

This document shows two important areas of study, although both are from thepoint of view of hydraulics, conclude something in common which is the safety ofbridges scour.

On one side it was shown the use of a new equipment to measure the flux velocityand discharge in natural rivers, which is called the Flow Tracker. This is anelectronic instrument that uses Doppler technology to obtain flow velocity data in X,Y, Z components; this investigation also lists the information that is available andthe advantages of its use.

On the other hand, this investigation shows a study of flow behavior into a pile ofexisting bridge, which is located on the road linking the Chincua town with theMunicipality of Tlalpujahua, in the State of Michoacan.

To perform this method, the measurements were performed in segments to obtainthe flow velocity distribution in a cross section area. This method includedmeasurements performed 20 times along 20 m upstream and downstream of thebridge.

The information obtained such as average flow velocity, maximum flow velocity,longitudinal sections, and specific point flow was processed, analyzed, and

discussed.


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Resumen ejecutivo

Todas las obras diseadas y construidas por los ingenieros civiles se tienen queenfrentar a los agentes atmosfricos; y con el paso del tiempo, las estructuras vanperdiendo sus caractersticas iniciales de diseo, producto de la accin de todoslos elementos que tienen que soportar; lo que lleva a las estructuras a un punto enel que pueden fallar.

El puente es una estructura emblemtica de la ingeniera y que da paso aldesarrollo de la sociedad, pensemos que la parte ms importante en el diseo deun puente es precisamente su resistencia estructural ante las cargas permanentesy las cargas accidentales y, en segundo plano, la resistencia del suelo. Cuando el

puente tiene que cruzar un ro, es necesario realizar un estudio hidrulico paratener conocimiento del comportamiento del flujo por la presencia de pilasinterpuestas en la corriente, y de esta manera garantizar la seguridad total delpuente; adems del mantenimiento continuo y de la instrumentacin necesaria quepermita monitorear el desempeo de la estructura.

Al colocar un obstculo en medio de la corriente de un ro se modifican lascondiciones hidrodinmicas, principalmente se modifica la velocidad; lo quegenera un flujo turbulento que provoca socavacin al pie de las pilas y -porconsiguiente- pone en riesgo la seguridad de la estructura, al quedar aldescubierto la cimentacin.

En el desarrollo de este trabajo de investigacin, hicimos un anlisis de lavelocidad del flujo en las inmediaciones de la pila de un puente localizado en lacomunidad de Chincua, del municipio de Tlalpujahua, Michoacn.

El anlisis de velocidad frente a la pila se basa en una medicin puntual develocidades en sus componentes (X, Y, Z), medidas con el equipo llamado FlowTracker, que es un instrumento electrnico que permite medir velocidades ycaudales en cauces abiertos. Para ello usamos el mtodo de las dovelas paraobtener la distribucin de velocidades en una seccin transversal; este mtodo fueaplicado desde 4.85 m aguas arriba del puente, hasta 9.15 m aguas abajo de este,

con una separacin entre secciones de 1.00 m.En el captulo 2 mencionamos los instrumentos de medicin de velocidades msactuales y que utilizan la tecnologa Doppler. Tambin hacemos una descripcindel fenmeno de socavacin en pilas de puentes y las variables que ms incidenen este proceso.

Posteriormente, en el captulo 3, describimos la metodologa empleada en laadquisicin de datos usando el Flow Tracker as como la descripcin del


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instrumento y del sitio donde est ubicado el puente en estudio.

En el captulo 4, procesamos y analizamos toda la informacin obtenida;mostramos los resultados obtenidos despus de las mediciones en sitio yanalizamos la velocidad del flujo; es decir, la velocidad media, mxima, en

secciones longitudinales y en puntos especficos cercanos a la pila del puente. Deeste anlisis, apreciamos zonas donde hay variaciones en cuanto al sentido de lavelocidad y la intensidad de esta, lo que nos permite definir que en dichas zonases donde se podra presentar el fenmeno de socavacin en las pilas; sobre todorecalcar que son zonas muy especficas y que es precisamente 3.0 m aguas arribade donde est la pila del puente, y 3.0 m aguas abajo.

En el ltimo captulo tenemos las conclusiones generales y recomendacionesreferentes al uso del Flow Tracker; principalmente indicamos los cuidados msimportantes que debemos tomar cuando hacemos uso del instrumento en campo.


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1 Introduccin

1.1 Planteamiento del problemaUno de los elementos que conforman un camino son las estructuras de cruce opuentes. La finalidad de un puente es pasar con el eje del camino por encima deun accidente geogrfico o cualquier otro obstculo fsico. Ejemplo de ello son losros, y de esa manera lograr la comunicacin entre ambos lados de este cuerpo deagua. Pero para lograr lo anterior es necesario apoyar los puentes sobre estribosque se construyen en las mrgenes de estas corrientes (ejemplo ros). Pero

cuando estos cruces son de gran longitud, es necesario apoyarlos en pilasintermedias que se desplantan sobre el lecho del ro.

En el proyecto de un camino, es importante la interaccin de varias disciplinas dela ingeniera civil con el propsito de lograr que el diseo de los elementos que loconforman garanticen un buen desempeo durante su operacin, seguridad yfactibilidad econmica; entre las diferentes disciplinas que participan se tiene laHidrulica.

Un puente es una estructura vulnerable a diversos factores derivados de la accinde los agentes naturales. La principal problemtica, desde el punto de vista de la

hidrulica, es que los estribos de los puentes y las pilas intermedias que soportanla estructura del puente se ven afectadas por la socavacin local. Esto deriva quela estructura se vea en peligro de un colapso a causa de que el material que seencuentra en el fondo del ro y al pie de la estructura es extrado por el cambiobrusco de velocidades, lo que da como resultado que la pila o estribo del puentepierda profundidad en su cimentacin o, en el peor de los casos, que permanezcatotalmente al descubierto la zapata de cimentacin.

En Estados Unidos, la socavacin es responsable de ms colapsos de puentesque todas las dems causas juntas; en este pas, se estima que uno de cada 35puentes sobre corrientes podra colapsar por socavacin. En 2003, EU tena26 472 puentes en condicin crtica por socavacin, as como 26 890 susceptiblesa este fenmeno (Bonilla 2010). En 1998, la socavacin producida en ros de lacosta de Per por el fenmeno El Nio destruy 68 puentes. Segn un reportetcnico, ni una guerra podra causar tal devastacin. En Mxico, losescurrimientos extraordinarios producidos por tormentas y huracanes suelencausar colapsos de puentes, a veces, mltiples; por ejemplo, el huracn Standestruy, en dos semanas, decenas de puentes en el sur del pas; en 2005 y en1999 ocurri algo semejante (Bonilla 2010).


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El colapso por socavacin local de un puente sobre el ro Tonal, en el lmite delos estados de Veracruz y Tabasco, caus la interrupcin de la circulacinterrestre sobre una importante carretera que comunica al sureste del pas. Lacreciente frecuencia de los eventos meteorolgicos extraordinarios, causada por elcambio climtico, har cada vez ms crtica la seguridad de los puentes que

cruzan corrientes superficiales. Los costos de las prdidas por el colapso de unpuente son siempre cuantiosos en trminos econmicos y de inconvenientes, sinmencionar los riesgos para los usuarios.

La Direccin General de Conservacin de Carreteras (DGCC), de la Secretara deComunicaciones y Transportes (SCT), ha observado un incremento en el nmerode puentes de carreteras federales con problemas de socavacin en los ltimoscinco aos. Esto puede deberse a un incremento en el nmero de actividadesmeteorolgicas fuera de los tiempos de retorno regularmente utilizados en eldiseo hidrulico de los puentes; pero tambin a malas prcticas de diseo, queno consideran estas acciones meteorolgicas por el cambio climtico actual.

Es por ello que la DGCC encarg al IMT la realizacin de un trabajo preliminarpara determinar la ubicacin de los puentes que puedan tener una mayorprobabilidad al fenmeno de socavacin de su cimentacin. Como parte de esteanlisis, realizamos un Convenio de Colaboracin con la Facultad de IngenieraCivil, de la Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo (FIC-UMSNH), conla finalidad de promover proyectos de investigacin en temas relacionados consocavacin de puentes; principalmente el encontrar metodologas para lainspeccin en campo, de los puentes que salgan del anlisis con tecnologasgeoespaciales, as como para la ubicacin de los puentes con mayor probabilidadde socavacin. Este trabajo presenta un avance de dicho proyecto y lacolaboracin con que el IMT cuenta por parte de la FIC-UMSNH.

1.2 HiptesisHoy en da se cuenta con numerosos instrumentos de medicin que nos permitenconocer las velocidades en conductos abiertos o en cauces naturales y no solovelocidades sino tambin cuantificar caudales. Para tal caso tenemosinstrumentos mecnicos como es el caso del molinete, e instrumentos electrnicoscomo el caso del Flow Tracker, que es un instrumento fabricado con la intencinde medir generalmente caudales en ros o en cualquier conducto abierto; pero quetambin puede ser usado para medir velocidades en sus componentes X, Y, Z. Sinembargo, es un instrumento que puede tambin usarse para ver el

comportamiento del agua frente a estructuras que estn interpuestas en lascorriente de los ros, debido a que toda variacin de la velocidad, en cualquiersentido, es detectada por los sensores del instrumento y esto permite identificarlas corrientes de agua que chocan con la pila y que descienden hasta el lecho delro; lo que provoca el desprendimiento del material del fondo, comnmenteconocido como socavacin.


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Introduccin

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Por lo anterior, en esta investigacin planteamos hacer una revisin, al pie de lapila de un puente, de las velocidades que llegan a esta, haciendo uso del FlowTracker. Con los datos de velocidades que registra el instrumento, haremos unanlisis para identificar los problemas de socavacin que pudiere ya presentar elpuente y, aprovechando que el instrumento mide velocidades en tres dimensiones,

ver el comportamiento de la velocidad cuando llega de frente a la estructura, de lavorticidad que se presenta alrededor de la pila, para de esa manera poderdeterminar el rea que est expuesta a la socavacin y disear alguna medida deproteccin.

1.3 ObjetivosDada la importancia de la estabilidad de un puente y el uso de nuevosinstrumentos de medicin de velocidades de flujo en tres dimensiones, el principalobjetivo que perseguimos con el desarrollo de este trabajo de investigacin eshacer mediciones de la velocidad de flujo de un ro que llega de frente a la pila deun puente, utilizando el equipo Flow Tracker, para detectar zonas en turbulenciaque generan la socavacin local y con esto predecir si el puente pueda presentarproblemas de prdida de sustento en su cimentacin.

Para alcanzar el objetivo principal de este trabajo, deberemos de cumplir una seriede objetivos especficos.

Hacer un estudio detallado sobre el funcionamiento del Flow Tracker, sucalibracin e identificar qu limitaciones tiene y determinar si es un instrumentotil para lo que pretendemos en el objetivo principal.

Hacer una comparativa entre la zona de socavacin medida con el Flow

Tracker y la zona que se supondra se socava de acuerdo con lo que semenciona en la bibliografa. Haremos un anlisis de velocidades en cadadireccin para determinar si la magnitud local de la velocidad es capaz deprovocar socavacin.

Hacer un anlisis general de velocidades en las tres direcciones desde aguasarriba del puente, en el tramo que cubre el puente y aguas abajo de este, paratener un amplio panorama del comportamiento de la velocidad por la presenciade la estructura.

Dar recomendaciones sobre el uso del Flow Tracker en la obtencin de datos

de velocidad y la interpretacin de datos que proporciona.

1.4 Importancia del estudioLos instrumentos mecnicos de medicin de velocidad en cauces naturales, comoson los molinetes, nos dan una idea del comportamiento de las partculas liquidas;lo que generalmente nos proporcionan es la velocidad en sentido del flujo. Laimportancia de hacer uso de un instrumento electrnico, como lo es el Flow


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Tracker -cuyo funcionamiento se basa en la tecnologa probada del VelocmetroAcstico Dopler (ADV) en la medicin de velocidades- es que nos proporcionainformacin ms real de las velocidades del agua; es decir, la velocidad en suscomponentes X, Y, Z.

Es evidente que cuando el agua escurre en un cauce natural no tiene uncomportamiento laminar sino que siempre se presentan turbulencias y vrtices, loque ocasiona que el vector velocidad tenga una u otra direccin; sin embargo, elFlow Tracker nos proporciona dicha informacin. Esto facilita la interpretacin dela velocidad que llega a una pila ya que se generan vrtices de herradura yvrtices de estela o de Karman.

Por otro lado, si tenemos conocimiento ms real del comportamiento de lavelocidad frente a una pila del puente, es posible pronosticar si va a presentarsocavacin al paso de una avenida en funcin de los resultados. Es decir, sidetectamos que el flujo se modifica bruscamente en la zona de la estructura, esposible concluir que se trata de una estructura vulnerable de sufrir socavacin. Porel contrario, si el flujo no se modifica en gran medida, entonces podemos decir quela estructura es capaz de soportar el proceso de socavacin. Adems, teniendo lainformacin de hasta dnde se ve afectado el flujo, es posible determinar hastaqu zona es necesario proteger a la pila contra la socavacin.

1.5 Limitaciones del estudioLas limitaciones estn directamente relacionadas con la utilizacin del FlowTracker:

La profundidad del ro.Es importante mencionar que para medir con el Flow

Tracker, el operador debe recorrer toda la seccin transversal dentro del aguay eso limita a que slo pueda utilizar el instrumento en profundidadespequeas y suelos firmes que garanticen su seguridad. Sin embargo, sitenemos un puente u otro elemento que permita tomar las mediciones desdeafuera del agua, entonces podra alcanzarse una mayor profundidad.

El cable del instrumento apenas mide dos metros de largo, situacin queimpide hacer mediciones a profundidades muy grandes.

Uso correcto del Flow Tracker.Es necesario que la persona que va a usar elFlow Tracker tenga una capacitacin previa sobre el manejo del instrumento,

esto debido a que es necesario tener una serie de cuidados previo a haceralguna medicin, y durante la medicin; ms adelante mencionaremos qu tipode cuidados hay que tomar en cuenta; esto refleja que el uso del Flow Trackerno es tan sencillo al inicio.

Recoleccin de datos de velocidad o caudal tardado.El funcionamiento delFlow Tracker no es tal cual como un molinete mecnico o electrnico en elsentido de cmo obtienen la velocidad. El Flow Tracker para mostrarnos la


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Introduccin

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velocidad en un punto cualquiera, primero toma mediciones de velocidaddurante 40 segundos- una lectura por cada segundo- despus hace un anlisisinterno de control de calidad de datos, para luego mostrar un promedio comoresultado. No solo es tardado, pues si existe una gran variacin de la velocidaden el lapso de los 40 segundos, o cambios de sentido de la velocidad, (por

ejemplo en cierto segundo la velocidad en Z es positiva y un segundo despuses negativa), esto provoca que el instrumento muestre como resultado unaserie de errores, puesto que excede el criterio previsto en el control de calidadde datos. Y adems el resultado mostrado no necesariamente es el correctodebido al promedio final que hace el programa interno.

Sin embargo, se pueden modificar algunos criterios en la definicin deparmetros del instrumento.

Altas velocidades. El fabricante recomienda no usarse en flujos convelocidades mayores a 4 m/s. Sin embargo, en las pruebas del laboratorio quehicimos, hubo errores a tan solo 2 m/s, cuando no se tiene mucha turbiedaden el agua.


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2 Revisin de literatura

2.1 IntroduccinEl conocimiento de la velocidad y el caudal en cauces naturales son de losparmetros ms importantes en el diseo de las obras hidrulicas. Existen dosposibles formas de obtener estos datos. La primera se refiere a generar estainformacin a partir de datos topogrficos de la seccin transversal y de estudioshidrolgicos e hidrulicos donde se determine el gasto en determinada seccin deun cauce y por consiguiente la velocidad. La segunda forma es medir directamentetanto velocidad como gasto en el punto de inters. Para ello podemos emplearestaciones hidromtricas o bien hacer las mediciones con el uso de instrumentos

como el molinete o medidores ultrasnicos. En Mxico es ms comn recurrir aesto ltimo, dado que la informacin hidromtrica a veces es imprecisa y en otrasno existe.

En este captulo mencionaremos porqu la necesidad de conocer la velocidad encauces naturales, as como una idea general de la distribucin de velocidades dePrandtl-Von Karman en cauces naturales y la forma de medir la velocidad mediaen una seccin haciendo uso de dovelas para obtener las Isotacas. Adems deque es un parmetro que es tomado en cuenta en la determinacin de laprofundidad de socavacin; lo que es importante para determinar el inicio delmovimiento de una partcula.

Mencionaremos el uso del molinete mecnico en la obtencin de velocidades en laseccin transversal de un ro y el principio de funcionamiento. Nos referiremos alos instrumentos elctricos con los que contamos en la actualidad, para medirvelocidades en cauces naturales; pero haremos nfasis en los instrumentos queusan la tecnologa Doppler; sobre las ventajas que tienen en comparacin almolinete mecnico, y los usos ms comunes en la actualidad.

La ltima parte de este captulo se referir a la socavacin general en cauces y ala socavacin local en pilas, as como de los principales parmetros que debemostomar en cuenta en la determinacin de la profundidad de socavacin.

2.2 Necesidad de la medicin de velocidades ycaudal en rosDesde hace varios siglos, el ser humano ha tenido la necesidad de medir elcomportamiento fsico del agua en reposo o en movimiento. Es por ello que hainventado muchos aparatos que registran la velocidad, la presin, la temperatura y


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el gasto de agua, entre otros. Todos estos ingeniosos dispositivos aprovechan losprincipios que rigen el comportamiento fsico del agua.

La velocidad es la cantidad de metros por segundo que recorre el agua en un ro,por ser ms especficos al tema y el caudal es el volumen de los metros cbicos

de agua que pasan por segundo en un sitio determinado. Estas dos caractersticasson de gran importancia para iniciar proyectos de construccin de puentes,canales, estudios de hidrulica pluvial y de diseo de obras hidrulicas en general.

Desafortunadamente medir directamente el gasto, a travs del volumendescargado en un intervalo de tiempo, es una tarea sumamente complicada en laprctica; sobre todo si se trata de medicin en canales de riego o de suministro deagua potable a las ciudades donde los caudales son muy grandes y requeriranrecipientes enormes. Es por eso que normalmente recurrimos a la medicin degasto en forma indirecta, ya sea midiendo la velocidad y el rea.

Por consiguiente, medir estas variables, para calcular indirectamente el gasto,repercute en un aumento de la posibilidad de cometer errores de medicinasociadas a errores humanos, defectos de aparatos y a la variabilidad fsica delpropio fenmeno que se est midiendo y perder calidad en la medicin. Con todolo dicho anteriormente, el objetivo de la medicin ser entonces obtener el valor deun parmetro fsico con la mayor exactitud y precisin posible, disminuyendo almximo los errores posibles. (Ochoa Alejo L. H. IMTA. 968-7417-64-1)

En la hidrulica fluvial, la velocidad juega un papel muy importante ya que formaparte de uno de los criterios para determinar el inicio del movimiento de unapartcula (criterio de la velocidad media crtica); la cual determina si hay o notransporte de sedimentos.

Tambin es importante en el clculo de transporte de sedimentos as como en elclculo de la profundidad de socavacin general y local. Sin embargo, en estosestudios existen formulas muy especificas y propuestas por diversosinvestigadores. Por citar un ejemplo, en el clculo de la socavacin general, elmtodo de Lischtvan-Lebediev considera una velocidad media real de la corrienteen el proceso de socavacin que est asociada a la profundidad inicial del cauceen poca de estiaje, la profundidad total de la socavacin y de las caractersticashidrulicas del cauce. Lo que queremos hacer notar es que la velocidad es unparmetro importantsimo en el dimensionamiento de ciertos elementos de laingeniera civil, como cauces con o sin transporte de sedimentos, diseo de

tanque sedimentadores, clculo de la capacidad muerta de un embalse,determinacin de la profundidad de desplante de las pilas de un puente, entreotros.

2.2.1 Concepto de distribucin de velocidades

En canales y en cauces naturales, el flujo del agua es evidentementetridimensional para cada punto de la corriente es decir, el vector velocidad tiene


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Revisin de literatura

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componentes en las tres direcciones (X, Y, Z). Para hacer un anlisis de lavariacin de velocidades en una seccin cualquiera, deberemos tomar muy encuenta la forma de la seccin transversal, pues la naturaleza y caractersticasgeomtricas del contorno definen bsicamente la curva de distribucin develocidades. (Rocha Arturo. 2007)

En trminos de anlisis, consideramos el caso ms simple en el que se supone unancho infinito y que solo se tiene influencia por el fondo del cauce, por lo que elflujo es analizado de la siguiente manera. En cada punto de la seccin transversalhay una velocidad particular (Vh). La velocidad es mxima en la superficie, en elfondo la velocidad es mnima y tiene una distribucin como se muestra en la figura2.1.

Figura 2.1 Distribucin bidimensional de velocidades en un cauce natural deancho infinito

Sin embargo, si tomamos en cuenta otros factores que inciden en la distribucinde velocidades -como lo es la friccin que existe entre el agua y el aire- ya que

generalmente el aire es un fluido estacionario y que est en contacto con el aguaen movimiento, la geometra o configuracin del fondo y taludes de la seccintransversal, la rugosidad superficial; el gasto, la accin de corrientes quecontribuyen de manera lateral con gasto al cauce principal o bien obstculosinterpuestos en la corriente afectan la distribucin tpica de velocidades de laseccin transversal de un ro natural, tenindose una distribucin ms compleja, lams simple puede ser similar a la de la figura 2.2; donde la distribucin develocidades es representada por medio de las isotacas que indican velocidad deigual magnitud. (Sotelo vila Gilberto. 1993)

Estas curvas son obtenidas a partir de datos medidos en campo en la seccin

transversal de inters. La recoleccin de datos es por medio de molinetes ovelocmetros electrnicos en puntos especficos; hacemos una interpolacin entrepuntos tal como se hace para obtener las curvas de nivel en topografa.

yVh

h


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Adaptacin de la figura de Sotelo A. 1993

Figura 2.2 Distribucin tpica de velocidades en un cauce natural que ms seajusta a la realidad.

Ntese que la velocidad mxima no es presentada a nivel de la superficie libre delagua, sino que aparece a una pequea profundidad (de 0.05 a 0.25 del tirante) y lavelocidad mnima est en la proximidad del fondo y taludes del cauce.

La velocidad media se localiza a una profundidad aproximada de 0.6 del tirante yes el promedio de la velocidad a 0.2 y 0.8 del tirante o bien entre 0.8 y 0.95 de lavelocidad superficial. Dichas variaciones de la ubicacin de la velocidad mxima yla velocidad media son debidas a las condiciones locales de la seccintransversal.

Si tomamos en cuenta que en una seccin de un ro es interpuesta una estructura

como lo es una pila de un puente, este perfil de velocidades se modificarlocalmente adoptando una nueva forma casi impredecible.

2.2.2 Medicin de velocidades

Segn Ven Te Chow, (Chow Ven Te. 1959), uno de los mtodos ms simples yaproximado para medir velocidades en cauces naturales es por medio de dovelas.Este procedimiento consiste en dividir en un determinado nmero la seccintransversal en franjas verticales sucesivas; posteriormente se precede a registrarla velocidad usando algn instrumento de medicin de velocidades, como lo es unmolinete mecnico o un velocmetro electrnico. Se determina midiendo a 0.6 de

la profundidad en cada vertical, o bien tomando el promedio de las velocidades a0.2 y 0.8 de la profundidad, cuando requerimos resultados ms confiables. Elpromedio de velocidades en cada una de las verticales es multiplicado por el reaentre verticales, lo que da como resultado el caudal de esa franja vertical o dovela.La suma de los caudales a travs de todas las franjas es el caudal total. Lavelocidad media en toda la seccin es igual al caudal total dividido entre al reacompleta.

y

B

V mx.

V

0.6y

0.05 a 0.25y


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Donde:

Vmi = Es la velocidad media en cada franja vertical o dovela iV0.2 = Es la velocidad al 20% de la profundidad medida desde la superficielibre hacia el fondo.V0.6 = Es la velocidad al 60% de la profundidad medida desde la superficielibre hacia el fondo.V0.8 = Es la velocidad al 80% de la profundidad medida desde la superficie

libre hacia el fondo.Qi = Es el caudal en la franja iAi = Es el rea en la franja iQ = Es el caudal total en la seccin transversal

Debido a que la distribucin de velocidades no es uniforme en un cauce natural, laenerga cintica que aporta la velocidad a la carga total o energa especifica esmayor que el valor calculado con V2/2g; por lo que se corrige con el coeficiente el cual es conocido como coeficiente de energa o coeficiente de Coriolis. Existenotras afectaciones que no sern mencionadas en esta investigacin.

Figura 2.3 Caractersticas de las verticales de la seccin transversal en elpunto de aforo.

Dovela i


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2.3 Uso del molinete mecnico en la medicin develocidades en cauces naturalesHasta hace pocas fechas, la forma en la que los instrumentos medan el caudal yla dinmica de la corriente haba permanecido invariable. Las medidas del caudal

se basaban en medidores mecnicos de velocidad, que empleaban la fuerza delagua para hacer girar una hlice; mtodo que se haba empleado desde principiosdel siglo pasado.

Los instrumentos que utilizan el empuje dinmico del agua para determinar elcaudal del flujo son denominados medidores de velocidad y se clasifican en:

Hlice o propela Turbina Molinete

2.3.1 Principio de funcionamientoEl funcionamiento de los tres instrumentos es muy similar. El molinete (figura 2.4)en particular, es un instrumento de medicin de velocidad en cauces naturales oen canales y se compone de dos partes principalmente. Contiene un elementogiratorio (hlice) que debe ser colocado en el punto donde deseamos conocer lavelocidad de frente a la corriente. Las revoluciones de la hlice son proporcionalesa la velocidad del flujo. El nmero de giros se transmite mecnicamente a unregistrador de vueltas y con ello determinamos la velocidad angular. Por medio deuna ecuacin de calibracin, podemos determinar la velocidad lineal a partir de lavelocidad angular del punto de inters.

El medidor tipo molinete puede ser utilizado en conductos a presin y enconductos a superficie libre. Existen diferentes medidores que funcionan con esteprincipio en el cual, como en los de propela, tambin se relacionan las vueltas queda una rueda provista de una especie de conos o copas con la velocidad del agua.

World Meteorological Organization, 2010 WMO-No. 1044

Figura 2.4 Ejemplo de un molinete y sus partes principales.

Generalmente, la rueda que gira lleva unas copas. Al chocar el agua con ellas,ejerce una fuerza que imprime un movimiento de rotacin; ste es ms rpido


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mientras mayor sea la velocidad de la corriente. As, al conocer el nmero devueltas que da la rueda y el tiempo empleado en darlas, es posible interpretar lavelocidad del agua con la ayuda de la tabla de calibracin para cada molinete.

2.4 Uso de instrumentos electrnicos en la

medicin de velocidades en cauces naturalesDurante los ltimos veinte aos, la posibilidad de disponer de sistemasinformticos, electrnicos y con mejores bateras a precios reducidos haconducido al desarrollo de instrumentos electrnicos para medir la velocidad loque ha contribuido al trazado de mapas de las condiciones hidrodinmicas de losros, algo que anteriormente, hubiera sido imposible.

Ahora, los medidores electrnicos de velocidad que utilizan tcnicas acsticas (deradar o por imgenes) estn revolucionando la medida de caudales del agua de lasuperficie y la dinmica de corrientes. En la mayor parte de emplazamientos de

medida, estos sistemas estn remplazando a los instrumentos mecnicos; lo quelos convierte en los instrumentos predilectos para medir la velocidad. Estasherramientas ofrecen ventajas superiores en trminos de eficacia, rendimiento yseguridad. Adems, los instrumentos electrnicos pueden medir velocidades conmayor rapidez en reas ms extensas, con una mayor resolucin espacial y a uncosto ms razonable que los instrumentos mecnicos previos.

Esta nueva instrumentacin es capaz de medir caractersticas cinemticasdistribuidas espacialmente en dos y tres dimensiones y que pueden estarrelacionadas con importantes aspectos morfolgicos e hidrodinmicos de loscursos fluviales naturales.

En la actualidad, contamos con nuevos instrumentos basados en tecnologas deradar y de imgenes. El instrumento en s no entra en contacto con el aguadurante el proceso de medicin. Segn la OMM (organizacin Mundial deMeteorologa), ninguna de las guas existentes hace referencia a lainstrumentacin ms reciente; sin embargo, muchos grupos de investigadoresestn pendientes del rendimiento y de la capacidad del nuevo instrumental.

Dos instrumentos electrnicos de velocidad, como son los perfiladores de corrientede efecto Doppler acsticos (ADCP) y los velocmetros grficos de partculas agran escala (LSPIV), constituyen ejemplos de instrumentos nuevos y emergentesde medida de la velocidad que estn cambiando el modo de medir los recursos

hdricos de la superficie.

Estos instrumentos pueden medir de forma eficaz las velocidades de los ros quesean necesarias para comprender mejor los complejos procesos geomrficos,hidrolgicos y ecolgicos que afectan a los cauces fluviales; as como suinteraccin en condiciones normales y extremas.


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2.4.1 Efecto Doppler

Antes de empezar con la descripcin de los instrumentos que se basan en latecnologa Doppler para medir velocidades, es conveniente hacer mencin en quconsiste el efecto Doppler.

El efecto Doppler es la alteracin de la frecuencia de las ondas, en funcin delmovimiento; ya sea del receptor o del emisor de las ondas de sonido. Christian

Andreas Doppler -en 1842- mencion que haba una variacin de la longitud deonda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento. Esrelativamente comn encontrarlo a diario. Podemos apreciar cuando una personaescucha el sonido de la sirena de un camin y nota que es ms agudo conformese acerca el camin, y ms grave al alejarse.

Cuando la fuente se desplace hacia el observador, los frentes de onda estarnms cerca uno del otro. En consecuencia, el observador percibe sonidos ms

agudos debido a una menor longitud de onda; en contraparte, cuando la fuente sealeja del observador la frecuencia y longitud de la onda son ms grandes, y elobservador percibe un sonido ms grave. (Figura 2.5).

Figura 2.5 Diagrama de representacin del efecto Doppler.

2.4.2 Medicin de la velocidad

El medidor Doppler calcula el gasto en funcin de dos variables principales: elrea hidrulica y la velocidad media. Estos medidores tienen unos emisores deondas de ultrasonido y unos receptores de las mismas ondas. Primeramente, elemisor enva una onda a una determinada frecuencia y el receptor capta las ondasque son reflejadas en el agua; inclusive, la onda puede reflejarse en partculas deslidos en suspensin o en burbujas de aire. Si el agua est en movimiento, lasondas reflejadas tendrn una frecuencia diferente de la emitida. La diferencia defrecuencia indica al dispositivo la velocidad de la corriente. (Pedroza G. EdmundoIMTA. 968-7417-67-6).


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2.4.3 Perfiladores de corriente de efecto Doppler:funcionamiento

El ADCP es un nuevo instrumento que suele instalarse sobre embarcaciones(mirando hacia abajo), aunque tambin puede fijarse en el fondo (mirando hacia

arriba) o en la orilla (mirando hacia un lado). Los ADCP necesitan que el sensorest en contacto con el agua, para as poder transmitir y medir los pulsos sonoros(pings) dirigidos a travs de la columna de agua; los reflejos de estos pulsossonoros, o bien el eco procedente de partculas o burbujas pequeas ysuspendidas que se mueven en el medio acstico, producen un desplazamientoen el sonido transmitido, a partir del cual se determina la velocidad. Estefenmeno, el desplazamiento Doppler, es el mismo que el cambio en el tonopercibido por una persona cuando un tren que est accionando un silbato pasa

junto a ella. Los pulsos enviados en diferentes direcciones o haces, desde elADCP detectan diferentes componentes de la velocidad, de forma paralela a cadauno de los haces. Suponiendo que las corrientes sean uniformes (homogneas)

dentro de las capas de espesor constante, se emplea una transformacintrigonomtrica para convertir la velocidad registrada a lo largo de los haces en trescomponentes de velocidad, asociadas a un sistema de coordenadas cartesianasorientado hacia el instrumento.

Los dispositivos ADCP, instalados sobre una embarcacin en movimiento, puedenmedir con relativa facilidad el perfil multicomponente de la velocidad por debajo deaquella; lo que proporciona de forma automtica informacin sobre la velocidad,profundidad y localizacin por donde se desplace la embarcacin. Los fabricantesde estos instrumentos (por ejemplo, Teledyne RD Instruments) establecen un 0.25% de margen de error en la precisin de las mediciones de velocidad efectuadas

en condiciones ideales de velocidades horizontales uniformes. Unas malascondiciones de medida, en las que el agua cuenta con pocas o inexistentespequeas partculas suspendidas para reflejar los pulsos sonoros o con excesivasconcentraciones de sedimentos que absorben los pulsos sonoros, puede impedirla utilizacin de los dispositivos ADCP. Asimismo, en algunas condiciones demedicin -como en las existentes junto a una pared vertical- no es vlida y puedenproducirse errores de medicin.

Aunque los medidores acsticos de velocidad fueron empleados en primerainstancia para medir la velocidad en entornos oceanogrficos, el desarrollo de los

ADCP para condiciones de aguas ms someras deriv en su aplicacin a los

caudales fluviales. El United States Geological Survey (Servicio Geolgico de losEstados Unidos, USGS) utiliz por primera vez los ADCP en 1985, y public ladescripcin de un sistema para medir el caudal en tiempo real mediante un ADCPen 1993.

Los ADCP constituyen una herramienta establecida para las medidas fluviales yson varias las empresas que los fabrican (RDI, 1996; SonTek, 2000). Actualmente,tanto los medidores acsticos de velocidad en un punto como los ADCP son


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empleados en aproximadamente el 30 por ciento de las mediciones de caudal quelleva a cabo el USGS.

Los ADCP han sustituido en gran medida el uso de los medidores mecnicos enembarcaciones del USGS. Adems, los ADCP pueden medir de forma precisa el

caudal en ros que tengan corrientes bidireccionales en la columna de agua, sinnecesidad de emplear tcnicas especiales; puesto que los instrumentos miden lavelocidad y direccin de la corriente. Los instrumentos mecnicos de velocidadsuelen medir simplemente la velocidad de la corriente.

Debido al creciente inters por la calidad de la medicin de las corrientes de aguay por los hbitats acuticos de la superficie, necesitamos informacin adicionalpara realizar actividades de control, elaboracin de modelos e investigacin enmateria de transporte de sedimentos, socavacin, estructuras hidrulicas yrestauracin de hbitats. En realidad, buena parte de la informacin necesaria,como por ejemplo el clculo de las fuerzas ejercidas por el agua y la posiblemedicin de las concentraciones de sedimentos, est disponible en los archivos

ADCP sin procesar; aunque los fabricantes de la instrumentacin no suministranlas herramientas adecuadas de proceso y extraccin. De cara a este propsito,diversos grupos de usuarios han desarrollado algoritmos personalizados.

Las mediciones llevadas a cabo por investigadores en ros naturales muestran lacapacidad de los dispositivos ADCP para suministrar otros datos adems de losrelativos al caudal mediante la utilizacin de programas informticospersonalizados como, por ejemplo, el AdcpXP; desarrollado por el Instituto deInvestigaciones Hidrulicas de Iowa. Los archivos sin analizar pueden procesarsede forma que describan informacin sobre la velocidad del ro, ya sea en forma devalores generales o medios para una seccin transversal (una dimensin) o comovalores locales en puntos especficos de la corriente (como en dos y tresdimensiones).

Algunos ejemplos de informacin unidimensional que puede determinarse a partirde los archivos ADCP sin procesar son los siguientes: la profundidad transversalmedia, la velocidad transversal media y el nmero de Froude.

El software de presentacin puede ser utilizado con datos ADCP con el propsitode mostrar cmo vara la velocidad local dentro de una seccin transversal de unro. Es posible determinar las caractersticas medias y de turbulencia en la seccintransversal de un ro, a partir de las velocidades recopiladas en un cierto tiempo,

mediante el amarre o anclaje de la embarcacin provista del dispositivo ADCP enuna localizacin fija. (Boletn de la OMM 57 (3)Julio de 2008).

2.4.4 Velocmetro acstico Doppler

Un medidor acstico Doppler de velocidad, conocido como el ADV, ha sidodesarrollado para medir las velocidades del agua en cauces abiertos, a unospocos centmetros del sensor. Como la distancia de la medicin de la velocidad es


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pequea, proporciona datos de velocidad que podemos considerar comovelocidades puntuales, para efectos prcticos, el uso de este instrumento estlimitado a medir el caudal en ros poco profundos.

Los ADV son fabricados por varios proveedores, incluyendo SonTek yCorporaciones Nortek; y tienen diferentes frecuencias acsticas y configuracionesen funcin de la aplicacin prevista.

En particular, SonTek ha desarrollado un ADV conocido como Flow Tracker;instrumento con el cual realizamos este trabajo de investigacin; est diseadoespecficamente para mediciones de vadeo de caudal, es decir recorrer la seccintransversal haciendo mediciones de velocidades puntuales. El Flow Tracker estdiseado para hacer mediciones de caudal utilizando el mismo mtodo generalutilizado para medidores mecnicos de flujos como describimos anteriormente(mtodo rea-velocidad).

El Flow Tracker ha sido probado por el USGS en el laboratorio y en el campo.

Hemos hecho pruebas simultneamente con medidores mecnicos con la finalidadde tener puntos de comparacin entre ambos instrumentos; en las pruebasencontramos que -en general- los algoritmos del Flow Tracker para medir elcaudal son correctos; al igual que las medidas de velocidad, en comparacin conlas mediciones simultneas, cumplen con los estndares convencionales deprecisin para medidores de corriente en condiciones reales.

Segn el MANUAL ON STREAM GAUGING VOL 1, publicado por la OMM, (WorldMeteorological Organization V-1 WMO-No. 1044, 2010) lo han utilizado en larealizacin de estudios de laboratorio, tambin para detectar campos de flujoturbulento alrededor de estructuras interpuestas en la corriente y estudios del

ocano.

Tanto los perfiladores de corriente de efecto Doppler acsticos (ADCP) y losvelocmetros grficos de partculas a gran escala (LSPIV) y otras tecnologas deradar no son de uso comn en Mxico, no convencionales, pero hacemos mencinen este trabajo, ya que forman parte de esta nueva generacin de medidorescuyas caractersticas principales son el uso de varios medidores en uno solo y elmanejo de la informacin en archivos de computadora.

El uso de los medidores ultrasnicos en general ha sido destinado para lamedicin precisa de flujo en proyectos de investigacin en laboratorios o

investigaciones de campo en donde se requieran hacer mediciones con msdetalle de las condiciones hidrodinmicas en canales o ros. Para otros finesdistintos, no es comn; dado que es relativamente ms fcil tener una seccin deaforo donde se tengan instalados dispositivos calibrados para diferentescondiciones de flujo, como vertedores, Parshall, compuertas entre otros.


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2.5 Socavacin general en un roEn toda la longitud de un cauce natural pueden presentarse diversos fenmenosasociados a los sedimentos; en unas secciones o tramos aparece erosin delmaterial que conforma el lecho, debido al aumento del caudal en la seccin. Este

fenmeno es comn en zonas de alta montaa donde la pendiente prevalece y, enconsecuencia, hay altas velocidades; pero tambin puede haber una acumulacinde sedimentos que es donde se deposita despus de ser transportado; lo quegeneralmente se presenta en ros de planicie, donde las velocidades sonpequeas y llegan -en algunas ocasiones- a formarse meandros.

Figura 2.6 Proceso de sedimentacin y socavacin en seccionestransversales en cauces naturales.

Todos los cauces naturales estn expuestos a sufrir erosin por el paso deavenidas en poca de lluvias, a este proceso de erosin del lecho de ros aluvialeso cohesivos se le conoce como socavacin. Sin embargo, no solo los gastossuperiores a los valores medios de escurrimiento provocan que se erosione ellecho, sino que tambin se incrementa la profundidad de socavacin debido a lamodificacin de las condiciones hidrulicas en un tramo o en una seccin delcauce por la fundacin de alguna obra hidrulica interpuesta a la corriente. (PrezMorales, Rodrguez Castro y Molina Aguilar, 2010).

La socavacin que se puede presentar en un ro, ya sea producto del paso de unaavenida o por la presencia de una obra que se construyo en el ro, puede serclasificada como:

General Transversal En curvas Local en obras rodeadas por la corriente Local en obras unidas a la margen Agua abajo de presas En obras de descarga Bajo tuberas

Socavacin

Sedimentacin


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La socavacin puede ser estudiada en dos partes: por un lado la socavacingeneral y por otro la socavacin local. La socavacin general es producto de laaccin dinmica de la corriente y es un fenmeno a largo plazo; sin embargo,podemos tener eventos como avenidas extraordinarias que aceleran el proceso.

Una corriente de agua que se desplaza en un cauce o en una zona de inundacintiene una cierta capacidad de arrastrar partculas que constituyen el lecho sobre elcual escurre el flujo. Este movimiento de material slido en cauces naturales es unfenmeno que depende de diversos factores, tales como la configuracingeolgica y topogrfica del cauce, las caractersticas del material de arrastre y lascaractersticas hidrulicas de la corriente.

La socavacin general consiste en una disminucin generalizada del nivel delfondo, como consecuencia del incremento de la capacidad del flujo al presentarseuna creciente; y se debe al aumento en la capacidad de arrastre de material slidoque en ese momento adquiere la corriente, debido a que aumenta la velocidad.Este fenmeno es un proceso natural que puede ocurrir a todo lo largo del ro

donde no interviene la mano del hombre.

Sin duda uno de los parmetros de mayor importancia es la velocidad. Para queconsiderar que existe transporte de sedimentos es necesario que la velocidadmedia de la corriente sea mayor a la velocidad media crtica que soportan laspartculas antes de iniciar el movimiento; en suelos cohesivos, es aquellavelocidad capaz de vencer la cohesin entre partculas o ponerlos en suspensin.En materiales sueltos, ser la velocidad que ha provocado un mayor movimientogeneralizado en el fondo del cauce. No ser considerada aquella velocidad queempieza a remover algunas partculas. (Juarez Badillo y Rico Rodrguez. Tomo III.2008).

Estos dos actores -tanto velocidad como sedimentos- son consecuencia de otros.La velocidad depende de las caractersticas hidrulicas del ro, como son lapendiente la rugosidad y tirante; por parte de los sedimentos influye el dimetro delas partculas y el peso especifico.

Para evaluar la socavacin general utilizamos el mtodo propuesto por Lischtvan-Lebediev, que se basa en la condicin de equilibrio entre la velocidad media delflujo (Vr) y la velocidad media mxima (Ve) necesaria para erosionar el materialdel fondo. Para hacer uso del mtodo debemos tener la siguiente informacin.(Jurez Badillo y Rico Rodrguez. Tomo III. 2008).

Gasto de diseo asociado a su periodo de retorno. Seccin transversal del ro tomada en la temporada de estiaje. La estratigrafa del material del fondo en la seccin de estudio. El peso especifico seco para los materiales cohesivos y la curva

granulomtrica para los no cohesivos. La direccin del flujo en la seccin de estudio o seccin de cruce.


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La geometra del obstculo o puente Peso especifico de la mezcla agua-sedimento.

2.6 Socavacin local en pilas de puentes

Cuando es colocado un obstculo dentro del cauce, como una pila de apoyo de unpuente, se modifican localmente las condiciones de escurrimiento; enconsecuencia, cambia la capacidad de arrastre en la zona de la obstruccin y --dependiendo de las condiciones con que llegue la corriente- puede presentarseuna socavacin local o bien puede producirse un depsito de sedimentos.

La socavacin local es causada por el cambio de direccin de las lneas decorriente, la turbulencia, la aceleracin del flujo y los vrtices resultantes inducidospor la obstruccin al flujo (figura 2.7). La socavacin local puede presentarse bajocondiciones de agua clara o lecho mvil.

Podemos decir que el mecanismo que produce la socavacin est asociado a laseparacin tridimensional del flujo en la cara aguas arriba de la pila y a un vrticeperidico al pie de ella. La acumulacin de agua hacia aguas arriba de laobstruccin produce una especie de onda en la superficie y un flujo vertical haciaabajo que crea un fuerte gradiente de presiones, lo que ocasiona separacin delflujo (figura 2.7). Como consecuencia, se origina un sistema de vrtices al pie de lapila, llamados vrtices de herraduras, que son los principales causantes de lasocavacin.

Bajo la accin de los vrtices, el sedimento es transportado de manera rotacional.El flujo hacia abajo al frente de la pila acta de manera vertical, lo que forma unsurco para luego girar 180. El flujo hacia arriba, combinado con los vrtices de

herradura que se forman en la base de la pila, remueve el material del lecho y si latasa de transporte de sedimento desde la zona de obstruccin es mayor que elaporte de sedimentos proveniente de aguas arriba, se crea el hueco desocavacin (figura 2.7). El vrtice de herradura se extiende hacia aguas abajo dela pila hasta que pierde su identidad, al confundirse con la turbulencia general delflujo. (B. W. Melville, 1975).

La separacin del flujo a los lados de la pila crea otros vrtices ms dbiles,llamados vrtices de estela; los que tambin se trasladan hacia abajo einteractan con los vrtices de herradura y hacen que el lecho oscile lateral yverticalmente. La influencia de estos vrtices cesa rpidamente, a medida que se

alejan de la pila hacia aguas abajo. Por esto, aguas abajo de la pila generalmentese presenta sedimentacin, (Raudkivi, A. J., 1986).


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Raudkivi, A. J., 1986

Figura 2.7 Proceso de socavacin en una pila circular. Comportamiento delflujo y el rea en la que incide.

La socavacin local se presenta en condiciones de agua clara o en lecho mvil.Para socavacin en lecho mvil, el equilibrio eventualmente se restablece y lasocavacin cesa cuando el material que es transportado desde aguas arriba seequilibra con el que es removido del hueco. Para socavacin en agua clara, lasocavacin cesa cuando el esfuerzo cortante causado por el vrtice iguala elesfuerzo cortante crtico del sedimento que conforma el lecho y, por lo tanto, noexiste ms remocin de sedimentos del hueco socavado.

En el diseo de cimentaciones poco profundas para puentes y que aparte estndentro de la corriente de un ro, el conocimiento de la profundidad de desplante esde vital importancia, pues una falla por socavacin conlleva la destruccin total dela estructura; esto si la socavacin total supera la fundacin de la cimentacin,pero tambin se pueden adoptar profundidades antieconmicas y excesivas y queno son necesarias en trminos estructurales.

La FHWA sugiere estimar la socavacin total en un cruce de una carreteradeterminado los tres tipos de socavaciones (Publication No. FHWA NHI 01-002March 2001):

1. A largo plazo, degradacin del lecho del ro2. Socavacin general en el puente

2.1 Socavacin general asociada a una avenida2.2 Socavacin transversal

3. Socavacin local en las pilas y estribos


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Estos tres componentes de la socavacin son sumados para obtener el total enuna pila. Esto supone que cada componente se produce independientemente de laotra; si tomamos en cuenta que es una forma conservadora de diseo.

Para hacer el clculo de la profundidad mxima de socavacin, partimos de

suponer que esta depende de variables que caracterizan al flujo, al material dellecho en el cauce y a la geometra del puente; para terminar con una ecuacinemprica de tipo determinstico. Esta es una ecuacin que por medio decorrelaciones, regresiones u otro mtodo numrico -y a partir de datos que sonfciles de medir fsicamente- sintetiza un fenmeno fsico en un resultadonumrico, sin que exista una teora que lo sustente. Ejemplo la ecuacin deLischtvan-Lebediev (Wikipedia, 2011)

Por otro lado, existen muchas ecuaciones para calcular la profundidad desocavacin en pilas; pero solo hay algunas aplicables para el caso de estribos y lasocavacin general por contraccin u otras causas. Hay mucha incertidumbresobre el uso de las ecuaciones y sobre cul representa mejor las condicionesreales del ro y del puente. Esto hace difcil establecer una sola ecuacin que sealo suficientemente precisa y segura para estimar las profundidades de socavacindebido al alto grado de incertidumbre existente y a las muchas variablesinvolucradas en el problema como son: flujo no permanente, caudal de diseo,geometra de las estructuras, turbulencia, tamao y distribucin del sedimento,caractersticas hidrulicas durante crecientes, ngulo de ataque del flujo,presencia de basuras y tiempo de duracin de la creciente.

Es as como debido a la complejidad de todas las variables involucradas en lasocavacin no existe todava una solucin terica vlida, por lo que toca recurrir alos resultados de investigaciones experimentales de laboratorio basadas enanlisis dimensional; que en algunos casos arrojan resultados muy diferentes y enalgunos casos contradictorios. Las ecuaciones disponibles hasta la fecha sonenvolventes de resultados obtenidos de modelos fsicos de laboratorio, y muchasveces las profundidades de socavacin son exageradas especialmente para elcaso de estribos.

Debemos aclarar que la mxima profundidad de socavacin total est limitada porla presencia de un medio rocoso u otro material resistente que impedir queprogrese indefinidamente y no llegue a los valores estimados.

El ingeniero evaluador de la profundidad de socavacin deber basarse no slo en

los resultados que las ecuaciones arrojen; sino tambin en el buen criterio,experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema.

La mayora de las ecuaciones son aplicables para cauces aluviales y noconsideran la posibilidad de que materiales ms gruesos presentes en el lechoacoracen el hueco de socavacin, lo que limitara su profundidad.


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III. Obras de control de gasto que se hayan construido aguas arriba oaguas abajo.

Las pilas de un puente tienen formas muy variadas con efectos diferentes sobrelos patrones de socavacin; por ejemplo, agudizar la punta aguas arriba de la pila

reduce el efecto de los vrtices de herradura y por tanto la socavacin. Agudizar lapunta aguas abajo de la pila reduce el efecto de los vrtices de estela. Una pilacuadrada ocasiona ms socavacin que una pila circular o de nariz aguda (figuras2.8 y 2.9).

Es interesante notar que para una misma pila, colocada en el mismo lugar, lasocavacin mxima producida no siempre se presenta en el mismo punto de lapila; pues tambin depende del esviajamiento de la pila, aparte de la velocidad delagua. Sugerimos ver las figuras 2.8 y 2.9.


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Jurez Badillo y Rico Rodrguez. III. 2008

Figura 2.8 Muestra esquemticamente las trayectorias del agua y de laspartculas de suelo alrededor del obstculo y los avances sucesivos de la

socavacin.


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U. S. Department of Transportation. 1979

Figura 2.9 Formas de pila ms comunes.

2.7 Utilidad de la nueva instrumentacin de

medicin de velocidades en cauces.En la Comisin Nacional del Agua (Conagua) se ha utilizado esta instrumentacinde medicin de velocidades, como los ultrasnicos de efecto Doppler, con lafinalidad de controlar y verificar las cantidades de agua asignadas en lasconcesiones, a los diversos usuarios de las fuentes de abastecimiento.

En lo que respecta al Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua (IMTA), en elcanal de la presa Josefa Ortiz de Domnguez fue realizado un estudioexperimental para evaluar y promover el uso correcto de las tcnicas de aforo encanales ms modernas existentes en el mundo, con un especial inters en losmedidores de efecto Doppler (IMTA 2007). En el experimento, establecieron loscriterios principales para la medicin de caudal bajo la tcnica de rea velocidad(ISO 748) y recomendaciones de buen uso para los nuevos equipos de efectoDoppler. Para dar certidumbre a los resultados, durante la prueba fue conformadoun grupo de trabajo con personal de la Conagua, la Comisin Federal deElectricidad (CFE) y del Centro Nacional de Metrologa (CENAM). El grupo realizsus evaluaciones en forma coordinada con los especialistas tcnicos de empresasdesarrolladoras de equipos de medicin. Como resultado, realizaron unapropuesta metodolgica basada en una serie de procedimientos y prcticas paramejorar la seleccin, instalacin y buen uso de equipos de medicin en canales deriego en Mxico. (IMTA 2007).

Segn la organizacin mundial de meteorologa, tanto los medidores acsticos develocidad en un punto, como los ADCP o ADV ahora han sido empleadosprincipalmente por el USGS para fines de investigacin; entre las que destacanalgunos perfiles hidrodinmicos de socavacin en estructuras hidrulicas.

En el 2007, la USGS hizo un estudio con el propsito de revisar las frmulasexistentes para calcular la socavacin local en estructuras, utilizando losperfiladores de efecto Doppler ADCP para obtener el perfil de velocidades. Comoconclusin publicaron que s existe una aproximacin ms real de los cambios develocidad que se presentan al pie de estructuras; sin embargo, no es posiblegeneralizar, pues se tiene que hacer un estudio para cada caso. (Tom Hsu and

Minwoo Son. 2007). En lo que respecta al uso del Flow Tracker, en estudios desocavacin no existe informacin. En lo referente a este punto, es mencionadocomo un instrumento til en experimentos de laboratorio para obtener caudales eincluso para calibrar otros instrumentos de medicin.

Por otro lado -en la tesis de grado que presentaron en el 2008 Ivn HernandoRamrez Mendoza y Saily Antonia Torres Rosado, de la Universidad Francisco de


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Paula Santander de Colombia- mencionan que actualmente los potentes modeloscomputacionales basados en el mtodo de elementos finitos (M.E.F) permitenproducir comportamientos de flujos de agua en cualquier tipo de contorno. Una delas principales ventajas de utilizar la aproximacin por elementos finitos es debidoa su gran capacidad para ajustar geometras complejas y permitir un refinamiento

local de los lugares en que sea necesario. Presentaron el desarrollo de esquemasnumricos tridimensionales, que representan el comportamiento del flujo en cadapila, efectuando el anlisis hidrulico del flujo alrededor de las diferentesgeometras de pilas (rectangular, circular y aerodinmica); y a su vez comparar elimpacto que crean las secciones de pilas en el cauce, para hacer el anlisis delperfil hidrodinmico lo desarrollaron en el software llamado ANSYS.

Este programa ofrece una incomparable capacidad de anlisis de flujo como uncampo vectorial de velocidades, un diagrama de las lneas de corriente, perfil depresiones; entre otros datos de inters para diseo.


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3 Metodologa

3.1 IntroduccinEn este apartado presentamos un resumen de la metodologa de manera generaly lo que hicimos previo al uso del Flow Tracker, para fines de este trabajo; en lossiguientes temas ser detallado todo el proceso para obtener la informacin decampo. Finalmente concluir este captulo con una descripcin detallada de lasmediciones de velocidad realizadas en el contorno de la pila del puente en estudio.

La realizacin del trabajo con el instrumento puede ser descrita en tres etapas. Ala primera podemos denominarla Revisin del aparato. En esta etapa revisamos

los manuales que facilita el fabricante (SonTek/YSI), con la finalidad de entenderel proceso de recoleccin de datos con el instrumento. Para ello realizamosmediciones en los canales de flujo lento, tanto en una seccin de flujo a rgimensubcrtico como en una seccin de flujo a rgimen supercrtico; de igual manera enel canal de pendiente variable. Ambos modelos del Laboratorio de Hidrulica "Ing.David Hernndez Huramo" de la Facultad de Ingeniera Civil de la U.M.S.N.H. Laintencin tambin fue el identificar en qu rgimen podamos medir con facilidadsin que hubiera errores por cuestiones del entorno, hacer una comparacin entrevelocidad medida con el Flow Tracker y la velocidad medida con el molineteelectrnico de hlice; propiedadambos- del mismo Laboratorio.

En la segunda etapa, a la que se podemos llamar Revisin del funcionamiento delos sensores, hicimos una revisin de la potencia de los sensores del aparato.Usando un programa que proporciona el fabricante, obtuvimos una grfica dondeaparece la amplitud de la fuerza de la seal que emiten los sensores. De estamanera, determinamos que estaban en condiciones satisfactorias para realizar lasmediciones de velocidad en el puente. Para lo anterior, fue necesario instalar elprograma en una computadora, conectarle el Flow Tracker al mismo tiempo queintroducamos los sensores en una cubeta de 20 litros con agua y con material finoen suspensin, para obtener mejores resultados.

En la tercera etapa, denominada Mediciones en campo, medimos las

velocidades en el entorno de la pila del puente, usando el Flow Tracker; asabiendas de que no tenamos problemas de funcionamiento de los sensores; queel instrumento funcionaba bien y que los datos mostrados eran confiables. Cabemencionar que las mediciones fueron hechas en septiembre del 2010 y de estasgeneramos los resultados de este trabajo; sin embargo, en noviembre del 2011volvimos a medir dos de las secciones, nicamente para comparar la magnitud dela velocidad en dos diferentes pocas. En la ltima parte del captulo 4,plasmamos la comparativa mencionada.


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3.2 Descripcin del sitio3.2.1 Ubicacin

El puente elegido para hacer las mediciones se encuentra localizado en el

municipio de Tlalpujahua, al oriente del estado de Michoacn. Limita al norte conContepec, al este y sur con el Estado de Mxico y al oeste con Senguio yMaravato. Su distancia a la capital del Estado es de 156 Km.

Figura 3.1 Ubicacin del municipio de Tlalpujahua en el estado deMichoacn.

El municipio de Tlalpujahua cuenta con la presa de Chincua, que es una de la ms

importante en ese municipio; esta presa se encuentra en la localidad de Chincua,del mismo Municipio; es alimentada por varios ros intermitentes o efmeros y slouno de ellos, que es el principal, es perenne. Paralelo a este ro est la carreteraMaravatio-Tlalpujahua que conecta al poniente con la ciudad de Morelia y aloriente con el Estado de Mxico (figura 3.1).

La comunicacin va terrestre entre la comunidad de Chincua y la carreteraMaravatio-Tlalpujahua es por medio de una carretera de terracera, la cual tieneque cruzar el ro sin nombre, pero que es el principal (figura 3.2). Para ello existeun puente que permite el paso de los habitantes de esta comunidad; si bien no esun puente de gran tamao, s cuenta con las caractersticas requeridas para

desarrollar este trabajo de investigacin. Es decir, cuenta con una pila interpuestaen la corriente del ro que presenta indicios de socavacin a su pie. El puente esta 1.40 km de donde termina el rea de inundacin de la presa, a 0.33 km de lacarretera Maravatio-Tlalpujahua y a 13.5 km de la cabecera municipal; tienecoordenadas aproximadas de 1945'31.67"N de latitud, 10016'8.63"O de longitudy 2447 m.s.n.m.

Presa de Chincua


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Figura 3.2 Micro-Localizacin de la presa de Chincua y del puente, objeto deestudio.

3.2.2 Descripcin del puente

La estructura del puente se apoya en dos estribos y en una pila, los estribos estnapoyados en los taludes del ro, la forma del estribo es trapecial con la base menorde cara a la corriente y una longitud de 4.69 metros; estn construidos conmampostera de piedra braza de la regin. La pila se encuentra a la mitad de laseccin transversal del ro y es una pila del tipo biselada con apoyo en un dadode cimentacin rectangular, ambos de concreto armado. Las dimensiones de la

pila son 5.0 m de largo por 1.0 m de ancho, tal como muestra la figura 3.3.

La superestructura del puente est conformada por una losa de concreto armado yapoyada en dos trabes, las que a su vez estn apoyadas en los estribos y la pilaintermedia. La intensidad de trfico es pequea, al igual que el nivel de cargas;pues se tiene nicamente el paso de vehculos ligeros y raramente el paso decamin pesados.

3.2.3 Descripcin de la corriente

Podemos observar -en las figura 3.3, 3.4 y 3.5- que el agua no moja todo el lecho

del ro y que la mayora del caudal pasa entre el estribo de la margen derecha y lapila; lo que ocasiona una reduccin del rea transversal y, en consecuencia, unavelocidad mayor. Aguas abajo de la estructura la seccin transversal del ro esms ancha y podemos percibir una disminucin de la velocidad. Mientras queaguas arriba de la estructura del puente, observamos un flujo no uniforme dadoque escurre a travs de fragmentos de roca chicos y con movimiento de unamargen a otra.


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Figura 3.3 Esquema del puente en planta donde se perciben los estribos, lapila y el espejo del agua.

Figura 3.4 Fotografa del puente objeto de estudio, vista aguas arriba(izquierda) y vista aguas abajo (derecha).

Figura 3.5 Fotografa del puente donde se ilustra la pila y el estribo.


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Las mediciones de velocidad fueron hechas en noviembre del 2010, y en esafecha el ro conduca un caudal de 0.20 m3/s; sin embargo, en poca de avenidasse percibe en las mrgenes que alcanza tirantes de agua hasta de 1.80 m, en laseccin media entre la pila y el estribo. El ancho del ro es variable desde 4.60 mhasta 7.00 m, la profundidad promedio del agua -justo por debajo del puente- es

de 0.40 m.Aguas arriba de la estructura del puente, el lecho del ro est conformado porfragmentos de roca chicos y granulometra de menor tamao; a partir de laestructura y aguas abajo de ella, la granulometra es ms uniforme con dimetrosmenores a 75 mm (figuras 3.5 y 3.6). Es un ro estable y presenta caractersticasde acorazamiento, pues no haba transporte de sedimentos en la capa de fondo.

Figura 3.6 Fotografas aguas arriba y aguas abajo del puenterespectivamente, donde se ilustra la granulometra del fondo del ro

3.3 Descripcin del Flow Tracker3.3.1 Generalidades

Como mencionamos en el captulo anterior, el Flow Tracker es un instrumentoelectrnico que permite medir velocidades puntuales dentro de un cauce oconducto abierto. El Flow Tracker usa la tecnologa del Velocmetro AcsticoDoppler (ADV). El uso del Flow Tracker y su tecnologa ADV tiene varias ventajas.

Medidas precisas de velocidad. El Flow Tracker mide velocidades desde

0.001 m/s hasta 4 m/s. Si se combina con una vara graduada, el FlowTracker puede ser usado para medir el caudal total de una seccintransversal de un ro.

Medidas de velocidad en 2D y 3D (dependiendo de la configuracin delsensor). Las medidas se realizan en un pequeo punto de medicin situadoa 10 cm. del transmisor acstico. Esto permite medidas en corrientes


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naturales libres de cualquier alteracin causada por el instrumento. Figura3.7.b

Calibracin invariable de fbrica. No son necesarias calibracionesperidicas, a no ser que se dae fsicamente el sensor.

Rendimiento excelente en corrientes grandes y pequeas. Los datos develocidad tienen una error relativo del 1% de la velocidad medida enmuestras por segundo.

Los datos de velocidad pueden ser usados inmediatamente sin necesidadde correcciones post-proceso.

El Flow Tracker lo integra la unidad manual, la cual tiene una pantalla y un teclado

alfa numrico; muchas de las teclas tienen diferentes funciones, un cable queconecta la unidad manual con el sensor y finalmente el sensor, el cual puede tenerdos configuraciones (figura 3.8.b), para su funcionamiento usa ocho bateras AA.

Para facilitar las mediciones en campo, necesitamos contar con una varilla

Figura 3.7.b Configuracin del sensordel Flow Tracker.

Figura 3.7.a Partes principales delFlow Tracker

Figura 3.8.a Ejescoordenados del sensor.

Figura 3.8.b Sensores del FlowTracker (2D 3D).


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graduada donde sea posible montar el Flow Tracker y guiar el sensor para obtenerdatos de velocidad a diferentes profundidades; esta varilla ya no es parte del FlowTracker. El fabricante (SonTek/YSI) proporciona varillas para tal finalidad; sinembargo, el usuario puede adaptar una a su gusto y necesidades.

3.3.2 Panorama general de uso del Flow TrackerEl Flow Tracker es til para medir gastos o velocidades en una seccin transversalen un ro, canal o cualquier conduccin a superficie libre, mediante el uso dedovelas tal como mencionamos en el captulo anterior. El Flow Tracker es capazde integrar reas con velocidades y mostrarnos como resultado el gasto. Si solodeseamos conocer la velocidad, no es necesario hacer dovelas y basta concolocar el sensor en el punto donde deseamos conocerla.

De acuerdo con el fabricante, el Flow Tracker puede utilizarse en:

Corrientes naturales Presas y Canales Canales abiertos Irrigacin Tratamiento de aguas Aguas fluviales

El Flow Tracker est integrado por tres partes principales que conforman sufuncionamiento interno.

1 Definicin de parmetros.2 Funciones del sistema.3 Iniciar medida.

1.-La definicin de los parmetrosdetermina cmo el Flow Tracker recolecta lainformacin; en otras palabras, es darle instrucciones de lo que queremos medir ycmo tiene que medirlo. Son enlistadas a continuacin:

Unidades.Ingls o mtrico para mostrar la informacin.

Tiempo de Muestreo. Le indicamos el intervalo de tiempo para cadarecoleccin de datos, en una sola estacin (mnimo 10 segundos).

Modo. En esta parte elegimos si el usuario quiere medir caudal onicamente velocidad. Si el objetivo es medir el caudal en un ro o arrollo,el Flow Tracker tiene tres mtodos para poder calcularlo: ecuacin deseccin media, ecuacin de seccin promedio, y la ecuacin Japn. Sinembargo, la ecuacin por defecto y la ms usada es la ecuacin de laseccin media; este mtodo lo recomienda la U.S. Geological Survey(USGS) y est descrito en los estndares ISO 748 (1997) y 9196 (1992).


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Por el contario, si solo deseamos hacer un registro de velocidades,elegimos el Modo General. En ambos modos, el Flow Tracker tomamedidas de velocidad cada segundo y toma un promedio de todas paramostrar la velocidad de esa estacin.

Ajustes C.C. (Ajustes de control de calidad de datos). Son los Ajustespara que el Flow Tracker revise internamente la informacin, estosparmetros de C.C. son automticamente examinados con cada medida yal completar una seccin transversal (figura 3.9). Si algn valor excede elcriterio previsto, se da una alarma. Los parmetros ms importantes son:

Establecer avisos del SNR, (relacin seal/ruido, promedio de todoslos receptores). Cuando el SNR es bajo, nos indica que no haysuficiente turbiedad en el agua y tendramos que generarla paraobtener datos mucho ms confiables. Generalmente se usa unvalor de 4 dB como mnimo.

Mnimo error estndar de velocidad (V), este valor es una medidadirecta de la precisin de los datos de velocidad. Generalmente seusa un valor de 0.01 m/s como mximo; sin embargo, puede sermayor en entornos turbulentos.

Establecer el porcentaje de valores de velocidad atpicos dentro deuna sola estacin (picos). Cuando est dentro del porcentajeestablecido, el Flow Tracker los elimina usando un filtro de picos.Un porcentaje elevado de picos nos indica que hay problemas en elentorno, como interferencias por obstculos o agua sumamente

aireada. Generalmente se usa un valor de 10% del total demuestras como mximo.

El ngulo mximo permitido entre la direccin del flujo y el eje X delFlow Tracker. Lo ideal es 20, como mximo.

Ajustes de caudal. Aqu elegimos parmetros como la ecuacin delcaudal (media, promedio o Japn) y ajustes como la variacin de caudal,profundidad y posicin.

Salinidad.Salinidad del agua en ppm, usado para clculos de velocidadde sonido.

Idioma.Idioma operativo Ingls o espaol.

Factor de Correccin de montaje. Si aplica, sera en los datos develocidad. Sin embargo, el fabricante recomienda no usar dicha correccindado que se ha encontrado que la correccin por aplicar es menor del 1%de la velocidad. Por lo que decidimos no aplicarla.


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Fuente: Manual del Flow Tracker

Figura 3.9 Medida de caudal usando el mtodo de la seccin media.

2.-La parte funciones del sistemaproporciona acceso a los elementos que noafectan directamente la cantidad de datos recopilados, y la forma de procesar lainformacin. Ms bien, en esta parte podemos revisar el estado del instrumento.Estos elementos deben ser revisados peridicamente y son:

Visualiz. Archivos. (Visualizar archivos). Muestra la informacin de unarchivo completo. La informacin incluye nmero de estaciones en laseccin transversal, velocidad mxima, velocidad promedio y velocidadmnima en cada estacin.

Estado Record. Presenta el nmero de archivos gravados y el espacioan disponible.

Formateo Record.Borra todos los archivos de la memoria.

Dato Temperatura.Muestra la temperatura del sensor del Flow Tracker.

Nivel Bateras.Seala la tensin de las bateras y el tiempo restante deuso.

Diag. Dato Veloc. (Diagnstico de Datos de la Velocidad). Muestra lavelocidad en bruto y la informacin SNR para comprobar operacionesbsicas del sistema.


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Ens. Autom. C.C. (Ensayo automtico de control de calidad). Revisinautomtica para verificar las operaciones del sistema. Esta es una opcinautomatizada y sinttica del Software del Beam Check, con la cual seevala el funcionamiento de los sensores. Ser detallada en la seccinpruebas de diagnstico de preutilizacin.

Ver Configuracin. Muestra el nmero de serie del sistema, tipo desensor y la versin del firmware.

Ajustar Reloj.Ajusta y cambia el reloj interno del Flow Tracker.

3.-En la parte iniciar medidapodemos empezar a hacer la recoleccin de datos;el procedimiento y la secuencia real de pasos vara dependiendo de laconfiguracin mencionada en el punto 1 (definicin de parmetros).

3.4 Pruebas de diagnstico de pre-utilizacin del

Flow TrackerNota: En los text os sig uien tes em pleamos trm ino s en in gls, tal como aparec en en elmanu al y en el Software que prop orcion a el fabricante. Con la finalidad de ser cong ruente enlos trm ino s qu e ellos manejan.

El diagnstico del rendimiento del instrumento es una parte esencial quedebemos tomar en cuenta para estar seguros de que los datos obtenidos delinstrumento son correctos y tener la certeza de que el Flow Tracker funcionacorrectamente. El diagnstico nos permite verificar el funcionamiento de lossensores y las operaciones del sistema, o en su caso detectar si estn daadoslos sensores; el diagnstico puede ser llevado a cabo de dos maneras:

Manera uno . Antes de cualquier viaje extenso al campo de trabajo, deberemosejecutar una prueba diagnstico del sistema, utilizando una computadora externa yhaciendo uso del software para Windows del Flow Tracker (Beam Check). BeamCheck le permite evaluar todos los aspectos del funcionamiento del sistema, launidad manual del Flow Tracker es conectada a la computadora mientras que elsensor es colocado dentro de una cubeta de agua (comnmente con una de 20litros). Arranca el programa Beam Check e inicia el diagnstico. Normalmentenecesitamos un mnimo de veinte muestras (Ping), se detiene y se graba eldiagnstico. El programa debe mostrar una grfica de la amplitud de la seal decada sensor, muy similar a la de la figura 3.10. Si no es as, probablemente alguno

de los sensores est daado. En la figura 3.10 la seal de ruido empieza conoscilacin transitoria (RINGING), despus muestra el centro de volumen demuestreo (SAMPLING VOLUME) y percibimos un aumento en la seal que adoptaforma de campana; luego el BOUNDARY REFLECTION nos indica la proximidadde un lmite u obstculo. Ya al final de la grfica la seal disminuye hasta un nivelde ruido electrnico (NOISE LEVEL).


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En esta figura tambin aparecen los botones de inicio de muestreo (STARTBUTTON), grabar el diagnstico que estemos llevando a cabo (RECORDBUTTON) y si queremos, calcular un promedio de muestras sucesivas(AVERAGING BUTTON).

Fuente: Manual del Flow Tracker

Figura 3.10 Pantalla del Software de diagnstico Beam Check.

Una vez que queda guardado el diagnstico del rendimiento del instrumento,podemos volver a reproducir y analizar con ms detalle el comportamiento delperfil de la fuerza de la seal.

El perfil indica la fuerza o amplitud de la seal que perciben los sensores cuandoestn dentro del agua y est graficado en el eje vertical en Counts (1count = 0.43dB), mientras que en el eje horizontal tenemos la distancia a partir del sensor encm.

Realizamos el diagnstico de preutilizacin para el desarrollo de este trabajo yobtuvimos el perfil de la figura 3.11, en la que podemos observar que es similar alde la figura 3.10.


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Figura 3.11 Diagnstico de pre-utilizacin del Flow Tracker

Vemos tres lneas de diferentes colores, cada uno corresponde a un receptor, deacuerdo con la figura 3.8.a. La lnea verde corresponde al receptor superior, la

lnea roja corresponde al receptor que lleva una marca roja alrededor de este y lalnea azul al otro receptor que est en el mismo plano del antes mencionado (verfigura 3.8.a para ubicar los receptores). Esto no quiere decir que cada receptormida la velocidad en cada eje cartesiano. Lo que hace cada receptor es medir elcambio de frecuencia de la seal reflejada en el medio y que emiti el transmisor;con este dato -el instrumento y por medio del programa interno precargado-calcula una velocidad llamada biesttica; finalmente, la velocidad biesttica setransforma en velocidades cartesianas (X, Y, Z) usando la geometra del sensor yngulos relativos entre las ondas emitidas y recibidas.

La posic in del volumen de muestreo indica un incremento en la fuerza de la

seal en la parte curva con forma de campana. La curva de volumen de muestreocorresponde al pulso en trnsito que pasa a travs del punto focal de losreceptores; el pico de esta curva corresponde al centro del volumen de muestreo.La posicin del volumen de muestreo vara, normalmente se encuentra entre los11-13 cm; puede haber variaciones en la altura y perfil de la curva, lo importantees que exista la forma de campana, pues indi

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