TESISPARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE

INGENIERO CIVIL

PRESENTADO POR:

CARLOS ENRIQUE CANALES LUNAAYACUCHO - PERU

2007

CONTENIDOCAPITULO I :INTRODUCCIÓNCAPÍTULO II :CÁLCULO GENERALIZADO DE LOS

PERFILES DE LA SUPERFICIE DEL AGUACAPÍTULO III :MOVIMIENTO DE LOS SÓLIDOSCAPÍTULO IV :GASTO SÓLIDO DE FONDOCAPÍTULO V:ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL

GASTO SÓLIDO DE FONDOCAPÍTULO VI :REQUERIMIENTO DE DATOS PARA EL USO DEL PROGRAMA GSTARSCAPÍTULO VII :APLICACIÓN PRÁCTICACAPÍTULO VIII :RESULTADOS

INTRODUCCIÓN

Al iniciarse el escurrimiento del agua debido a las precipitaciones, empezando en los puntos más altos de la cuenca se produce el transporte llamado a dos fases, es decir siempre existe la interacción agua –sedimento, pero estudiar el transporte de sólido en la cuenca es bastante complejo por eso generalmente se hace este estudio en un lecho fluvial definido que viene a ser el río.

INTRODUCCIÓNExisten dos formas de transporte de sedimentos por

el agua en un lecho fluvial, que viene a ser un canal natural erosionable con características definidas por la cuenca: el transporte en suspensión y el transporte de fondo; lo ideal es estudiar el transporte de material general, pero en vista de que la Hidráulica Fluvial es tan compleja y amplia nos encargaremos solo de uno de ellos. Trataremos sobre el transporte de material de fondo, es decir de aquellos materiales que se desplazan por debajo del 5% del tirante efectivo del río donde hay un supuesto continuidad de aporte de material del lecho en un supuesto flujo uniforme lo que en la realidad se produce esporádicamente y por poco tiempo.

OBJETIVOSAnalizar las diferentes fórmulas existentes para la determinación teórica del Gasto Sólido de Fondo, para ver su aplicación a nuestros ríos según las características morfológicas que ellos presentan.Análisis teórico del Gasto de fondo basado en el análisis de parámetros adimensionales de Buckingham y comparación de los resultados experimentales con algunas fórmulas más usuales tales como: Meyer Peter & Müller, Frijlink, Einstein, etc.

Dar un alcance informativo a los alumnos que estén interesados en el tema, ya que en nuestro medio no se cuenta con información suficiente sobre el transporte de sedimentos.Incentivar a los alumnos para realizar investigaciones teóricas o experimentales a manera de tesis sobre las diferentes fórmulas utilizadas en la ingeniería.

LECHO FLUVIAL

CARACTERÍSTICAS: Caudal variable. Flujos no uniformes, no permanentes. Secciones no prismáticas. Flujo bifásico (agua-sedimento) Pendiente variable

CLASIFICACIÓN DE LOS RÍOSPOR SU ESCORRENTIA Perennes Intermitentes Efímero

POR SU FORMA Rectos Meándricos Ramificados Anastomosis

POR SU EDAD Jóvenes Maduros Viejos

Río Meándrico

Río Ramificado

Procesos de erosión

Degradación, Transporte y Agradación

MECANISMOS DE EROSIÓN Y SEDIMENTACIÓN

MECANISMO DE EROSIÓN EN CURVAS MECANISMO DE EROSIÓN EN CURVAS

MECANISMO DE EROSION EN TRAMOS RECTOSMECANISMO DE EROSION EN TRAMOS RECTOS

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Es el estudio de los procesos de:ErosiónIniciación del movimientoTransporte Depósito y Compactación,

de las partículas sólidas.

Diagrama de SHIELDS

MODALIDADES DEL TRANSPORTE SÓLIDO

FASES DEL TRANSPORTE SÓLIDO

Formas de Fondo Según Bogardi

Formas de Fondo Según Engelund

GASTO SÓLIDOEs la cantidad de partículas, en unidades de peso o de volumen que pasa por una sección determinada en la unidad de tiempo.

FT Fondo

ST Suspensión SFT TTT

Total

Unidades : Kg./hora, ton/año.

TRANSPORTE SÓLIDO DE FONDO

Son las Partículas más gruesas.

Van permanentemente en contacto con el suelo.

Ruedan o se deslizan por el lecho.

Producen ruido.

Se determina en base a cálculos.

TRANSPORTE SÓLIDO EN

SUSPENSIÓN

Son las partículas más finas.Se distribuyen en toda la sección.Dan color al agua.Se determina en base a mediciones

VARIABILIDAD DEL TRANSPORTE SÓLIDO

Hay fuertes variaciones en los factores determinantes de la erosiónHay fuertes variaciones en el gastoEl gasto sólido depende de una elevada potencia de velocidadHay fuertes aumentos y disminuciones de la velocidad de la corrienteLas “avenidas sólidas” suelen ser más cortas que “las avenidas líquidas”

MÉTODOS PARA DETERMINAR EL GASTO SÓLIDO DE FONDO

1)MÉTODO DE DU BOYS:

)(Xt cooF

2) MÉTODO DE SCHOKLITSCH

La Fórmula es:

6/7

2/3402/3

F S

dB6.0QS2500T

Donde :

TF : Gasto Sólido Total.

d40 : El 40% de partículas tiene un diámetro menor que el d40.

B : Ancho total del Río.

S : Pendiente

3) MÉTODO DE KALINSKE.

o

c

s*

F f5.2dV

t

o

c

gySV*

d = Diámetro medio de las partículas.

4) MÉTODO DE MEYER-PETER & MÜLLER

•Se debe señalar que la fórmula de Meyer- Peter es una de las fórmulas más utilizadas en hidráulica fluvial.

•Se le prefiere por su simplicidad y se le aplica generalmente en el caso de torrentes.

•Es una fórmula netamente experimental.

)2

3(

co"F )(79.0t

ySo "F

s

sF tt

2

3

90dR12

log18

C

Es importante señalar el rango de valores utilizados por las investigaciones en laboratorio por Meyer Peter & Müller:Pendiente 0.04 @ 2 %Gasto 0.002 @ 4 m3/sTirante 0.01 @ 1.2 mDiámetro 0.4 @ 30 mmPeso específico 1.25 @ 4.22 Tn/m3Forma de partícula diversa

5)MÉTODO DE FRIJLINK

gd

tX

2/3

F

RS

dY

RS

d27.0

F egRSd5t

Medición del Gasto Sólido de fondo

1) Recolector de carga de fondo del Instituto de Hidrología, Koblenz (Alemania)

2) Modelo 8055 - Helley – Smith (Cable-Suspendido)

3) Modelo de Helley – Smith (Modelo 8015-Handheld)

4) Muestreador Handheld-US BLH-84

5) Muestreador US –TR2

6)Otros tipos de mediciones

Equipos acústicos.

Luminóforos.

Trazador magnético.

Medir sedimentos atrapados en presas.

PARTE EXPERIMENTAL

EQUIPAMIENTO EXPERIMENTAL

Bomba de propulsió

n

Tanque Elevado

Limnímetro

Canal de Prueba

PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

Yw

Wincha graduada

Ye

Hoja de pruebaProyecto : Estudio Experimental del Gasto Sólido de Fondo Hecho por: Carlos E. CANALES LUNA

ENSAYO Nº: 3 LECHO : Grueso Condición :PENDIENTE: 1.00% CAUDAL : 7v Cantidad :

NºHORA YS1 (cm)

ErosiónYS2(cm)Erosión DIFER.(cm)S %

Y1(cm)Agua

Y2(cm)Agua

Pendiente T1 T2

Veloc.m/s Froude

Alturainicial

AlturaLimní

HLimním

Caudal Líquido

1 3:40 15.500 15.500 0.000 0.000 15.500 15.500 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 5.200 5.200 0.000 0.0002 3:45 15.500 16.000 -0.500 -0.001 19.000 19.300 -0.001 3.500 3.300 0.470 0.869 25.200 0.200 6.5783 4:00 14.500 16.000 -1.500 -0.004 18.800 19.300 -0.001 4.300 3.300 0.392 0.665 25.400 0.202 6.7434 4:05 14.500 16.000 -1.500 -0.004 18.700 19.300 -0.002 4.200 3.300 0.406 0.696 25.500 0.203 6.8275 4:10 14.500 16.000 -1.500 -0.004 18.700 19.200 -0.001 4.200 3.200 0.406 0.696 25.500 0.203 6.8276 4:15 14.500 16.000 -1.500 -0.004 18.700 19.000 -0.001 4.200 3.000 0.406 0.696 25.500 0.203 6.8277 4:25 14.400 16.000 -1.600 -0.005 18.500 19.000 -0.001 4.100 3.000 0.416 0.721 25.500 0.203 6.8278 4:30 14.500 16.000 -1.500 -0.004 18.500 19.000 -0.001 4.000 3.000 0.427 0.746 25.500 0.203 6.8279 4:40 14.000 16.000 -2.000 -0.006 18.400 19.000 -0.002 4.400 3.000 0.388 0.652 25.500 0.203 6.827

10 0.718

Proyecto : Estudio Experimental del Gasto Sólido de Fondo Hecho por: Carlos E. CANALES LUNAENSAYO Nº: 4 LECHO : Grueso Condición :PENDIENTE: 1.50% CAUDAL : 5v Cantidad :

NºHORA YS1 (cm)

ErosiónYS2(cm)Erosión DIFER.(cm)S %

Y1(cm)Agua

Y2(cm)Agua

Pendiente T1 T2

Veloc.m/s Froude

Alturainicial

AlturaLimní

HLimním

Caudal Líquido

1 4:50 15.000 15.500 -0.500 -0.001 15.000 15.500 -0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 5.200 5.200 0.000 0.0002 4:55 14.500 15.500 -1.000 -0.003 17.400 18.000 -0.002 2.900 2.500 0.395 0.792 22.500 0.173 4.5773 5:00 15.500 15.500 0.000 0.000 17.000 17.800 -0.002 1.500 2.300 0.774 2.092 22.600 0.174 4.6444 5:15 14.500 16.000 -1.500 -0.004 16.800 18.000 -0.004 2.300 2.000 0.505 1.122 22.600 0.174 4.6445 5:30 14.500 15.300 -0.800 -0.002 16.700 18.000 -0.004 2.200 2.700 0.520 1.180 22.500 0.173 4.5776 5:40 14.300 15.500 -1.200 -0.004 16.400 18.000 -0.005 2.100 2.500 0.545 1.262 22.500 0.173 4.5777 1.28989

10

LABORATORIO NACIONAL DE HIDRÁULICA

LABORATORIO NACIONAL DE HIDRÁULICA

USO DEL PROGRAMA GSTARS 2.1

CAPACIDAD DEL PROGRAMA

El programa permite hasta 101 secciones de río.

Permite hasta 197 puntos en cada sección ingresada.

Permite hasta 10 fracciones de tamaño de sedimentos.

Permite un número máximo de 5 tubos de corriente.

CRITERIOS GENERALES PARA EL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

ssd q

dx

dQ

t

A

1) Ecuación Básica

2) Tubos de corriente

Las ubicaciones de los tubos de corriente son calculados para cada intervalo de tiempo.

El transporte de sedimentos se hacen para cada tubo de corriente e intervalo de tiempo.

La composición del lecho se hace para cada tubo de corriente al inicio de cada intervalo de tiempo.

El programa calcula los procesos de erosión y sedimentación en forma independiente.

El programa no puede simular áreas con flujos de recirculación o remolinos, flujos secundarios., etc.

BONDADES Y LÍMITES

FORMATO DE INGRESO DE DATOS

CLASIFICACIÓN DE LECHO

Funciones Transporte de Sedimentos

ECUACIÓN TIPO

DU BOYS(1879) B

MEYER-PETER Y MÜLLER(1948) B

LAURSEN(1958) BM

TOFFALETI(1969) BM

ENGELUND Y HANSEN (1972) BM

ACKERS Y WHITE(1973) BM

ACKERS Y WHITE(1990) BM

YANG(1973)+YANG(1984) BM

YANG(1979)+YANG(1984) BM

PARKER(1990) B

YANG ET AL.(1996) BM

INGRESO DE LA GEOMETRÍA DE LA SECCIÓN

INGRESO DE LA DESCARGA LÍQUIDA

200

400

600

800

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

HIDROGRAMA ACTUAL

HIDROGRAMA DISCRETIZADA

TIEMPO (dias)

Des

carg

a (m

3/s)

1t 2t 9t

Q

t

Días Descarga(ft3

/s)

0 200

1 450

2 700

3 1020

4 1000

5 700

6 525

7 400

8 325

Ingreso de datos de sedimentosb

s aQQ

RECOMENDACIONES DE GSTARS

Usar la Fórmula de Meyer-Peter & Müller cuando el material del lecho es más grueso que 5 mm.Emplear la fórmula de Toffaleti para ríos grandes y lecho de arena.Usar la fórmula de Yang (1973) para el transporte de arena en canales de laboratorio y ríos naturales; Use la fórmula de Yang (1979) para el transporte de arena cuando la unidad crítica de la fuerza de corriente está en movimiento incipiente.

Usar las fórmulas de Parker's(1990) o Yang's(1984) para el transporte de lecho cargado de grava. Usar la fórmula modificada de Yang (1996) para los flujos de la concentración alta cuando la carga de lavado o la concentración de material fino es alta.Usar las fórmulas Ackers y White o Engelund y Hansen para la condición de flujo crítico en el régimen inferior de flujo.Usar la fórmula de Laursen para canales del laboratorio y los ríos poco profundo con arena fina o limo grueso.

RECOMENDACIONES DE GSTARS