MÓDULO 4. PROYECTO Y EVALUACIÓN DE MEDIDAS ESTRUCTURALES Y NO ESTRUCTURALES

3. MEJORA Y ESTABILIZACIÓN DE CAUCES

El río como curso natural o sistema de cursos naturales de formación espontánea, sirve para la evacuación concentrada del agua caída en su cuenca imbrífera, de la recarga del agua subterránea, del material erosionado en la cuenca y de los ecosistemas acuáticos. Como se vio, los cauces de los ríos pueden en general dividirse en tres tramos principales de acuerdo con la topografía de su cuenca: la porción superior montañosa, donde tiene sus fuentes, la porción media de pendientes importantes, con arrastres sólidos gruesos y cauces de estiaje divagantes (trenzados), pero con valle de inundación recto y finalmente el cauce inferior, o valle fluvial. El tramo superior del perfil longitudinal del río se caracteriza por poseer fuertes pendientes, lo que trae como consecuencia el desarrollo de una importante energía en el escurrimiento del agua. Este hecho se traduce en la presencia de deslizamientos y la formación de rápidas a lo largo de su curso. Los tramos aluviales se caracterizan por el hecho de que el aluvión que forma el lecho del río y por el cual escurren, es transportado y depositado por el mismo río. El control de los ríos en su cauce superior se denomina “control de torrentes” y su tratamiento ingenieril es muy diferente de aquellos métodos aplicados en ríos aluviales. El tratamiento del valle aluvial se denomina “regulación”.

1.- RIOS DE MONTAÑA - TORRENTES En las cuencas de los ríos de montaña las laderas son generalmente muy inestables y es a partir de este hecho que dan lugar a diversos procesos geomorfológicos cuya intensidad se ve regulada por la topografía, por la litología reinante, por el clima y por el uso del suelo. Existen una serie de factores que bajo acciones combinadas contribuyen a que en cada cuenca, dentro de una misma región, presenten aspectos y comportamientos diferentes. De esta forma, la producción de sedimentos de sus laderas, el acceso de éstos a la red de drenaje, la actividad de los torrentes y su capacidad para evacuarlos, y el modelo adoptado por el cauce principal, dependen de varios parámetros: • climáticos (con relación al volumen e intensidad de las precipitaciones) • geológicos (la red fluvial, especialmente en las zonas de montaña, se halla

controlada en sus trazos principales por la resistencia litológica y las deformaciones tectónicas)

• topográficos (especialmente la pendiente, en lo que se refiere a la velocidad con que fluyen las aguas de escorrentía)

• los usos del suelo • los procesos geomorfológicos dominantes Según varíen estos parámetros se pueden generar desequilibrios con relación al aporte versus la capacidad de transporte, entre los tributarios y los cauces principales dando lugar a depósitos y/o erosiones. Las alteraciones en el uso del suelo pueden generar cambios en la producción de sedimentos. El acceso de los sedimentos a los cauces se puede producir por

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movimientos en masa de los mismos o bien por el acarreo de tributarios que provengan de cuencas activas. Durante fuertes tormentas la concentración de la escorrentía favorece la movilización de materiales de diversos calibres, con el consecuente desmantelamiento de la cubierta edáfica, depósitos de laderas o incluso del sustrato. En su desembocadura los torrentes pierden bruscamente sus pendientes, cambian las condiciones hidráulicas del flujo reduciendo su energía hidráulica de transporte. Esta situación conlleva a una brusca perdida de la carga sólida generando los conos de deyección o conos aluviales. De esta manera estas formaciones se hallan ligadas a cauces torrenciales y su conformación es heterométrica, es un ambiente de transición entre montaña y llanura y por su ubicación actúan como grandes almacenes de sedimentos. Una cuestión muy importante de conocer es el hecho que no todos los torrentes forman en su desembocadura conos aluviales y no todos los conos presentan iguales pendientes y dimensiones. La existencia o no de conos aluviales es consecuencia de la capacidad de producción de sedimentos y si existe o no la capacidad física para que estos se desarrollen. Muchos torrentes desembocan en valles muy confinados y arrojan los sedimentos directamente al canal principal. Puede suceder que luego de atravesar una garganta se produzca un brusco cambio morfológico del cauce pasando por ejemplo de canal confinado a cauce trenzado.

1.1 - MEJORA Y ESTABILIZACIÓN DE LOS CAUCES DE FUERTE PENDIENTE En las siguientes fotos se pueden observar diversas obras cuyo fin es el control de la energía del agua en relación con el transporte de sedimentos.

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En las siguientes imágenes se observan algunas alternativas de estabilización de márgenes para zonas de torrentes.

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1.2 - OBRAS SELECTIVAS: EXPERIENCIA ITALIANA Este tipo de obras se diseñan solo con el objeto de detener el paso de los sedimentos de gran tamaño, los que a medida que se acumulan detrás de las estructuras son limpiados para permitir el uso continuado del sistema.

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Presa selectiva sobre el Arroyo Trabunco, San Martín de los Andes.

Vista desde aguas arriba

Presa selectiva sobre el Arroyo Trabunco, San Martín de los Andes.

Vista desde aguas abajo.

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2 - LOS CONOS ALUVIALES Los conos aluviales poseen un muy interesante comportamiento ya que actúan como un tope dentro del sistema fluvial, rompiendo la continuidad del movimiento del sedimento entre el área fuertemente productora y la cuenca sedimentaria o sistema de cauces de la llanura fluvial. La importancia de esta transición es indudable a partir del hecho que introducidos cambios en el modelo de comportamiento sedimentario (por ejemplo pequeñas presas interceptadoras de sedimentos en las nacientes), se podría modificar el comportamiento fluvial de los cauces inferiores de los ríos. Harvey (1987) observó que los conos pueden absorber cada cambio mediante la variación de sus proporciones geométricas o de sus modelos sedimentarios e inhibir, corriente abajo, la transmisión de los efectos de cada cambio. Por esta razón, las secuencias sedimentarias de los conos aluviales pueden preservar en muchas ocasiones un sensible registro de los cambios ambientales, mejor que las secuencias aluviales de los tramos inferiores de los ríos.

2.1 - FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACIÓN DE LOS CONOS ALUVIALES • La Litología: cada tipo de roca reacciona en forma diferente a los efectos

erosivos y se meteoriza a diferente velocidad, influyendo en este proceso la cantidad y tipo de sedimento movido. Por otra parte la red de drenaje de cuencas con diferentes sustratos rocosos, muestra diferencias significativas en la morfología, densidad y capacidad para evacuar los materiales.

• La altitud: controla muchos de los procesos geomorfológicos y por lo tanto la capacidad para producir sedimentos. Los usos del suelo, en especial la utilización agrícola del territorio, presenta una clara organización altitudinal en las áreas de montaña, de manera que los sectores más elevados en general no sufren presiones agrícolas, cosa que no sucede en las laderas bajas las que en general se cultivan y en muchos casos con intensidad.

• Los usos de los suelos: la acción antrópica es tal vez la que mayor influencia produce en el comportamiento de los conos aluviales a partir del laboreo de las tierras con cultivos aterrazados, por la forestación, por el abandono de campos etc. Estos factores de intervención humana, participan en mayor o menor medida con los procesos geomorfológicos y en general apuntan hacia el descenso de la escorrentía, disminución de los picos de crecidas, reducción en la producción de sedimentos.

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2.2 - MEJORA Y ESTABILIZACIÓN DE LOS CONOS ALUVIALES

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En las anteriores imágenes se observan los resultados de las tareas de aterrazamiento con motivos agrícolas. En la última el proceso constructivo de los aterrazamientos.

3 - MEJORA Y ESTABILIZACIÓN DE CÁRCAVAS La conformación sedimentológica de los conos unidos a la acción dinámica del agua en los momentos de los picos de las avenidas, pueden dar lugar a la formación (en escasas horas) de cárcavas, las que pueden llegar a conformar hoyos de varios cientos de metros de ancho y decenas de profundidad. Un ejemplo de lo indicado se puede observar en las siguientes imágenes tomadas en las nacientes del Aº Cainzo (Provincia de Tucumán).

Vista de la cárcava

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Tareas para la fijación

Obra de fijación en proceso de finalización

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Cárcava en el río Tartagal – Provincia de Salta

Intento de disipación de energía durante la emergencia

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Transición vertical de hormigón en la zona de la cárcava

4 - RÍOS ALUVIALES, SU CLASIFICACIÓN: Los ríos en valles o llanuras pueden clasificarse en tres tipos: a) Los que forman meandros o serpentean b) Los que sedimentan c) Los que erosionan Un río que escurre en un valle aluvial es rara vez de un solo tipo, pues los tres pueden encontrarse en un mismo río a lo largo del tramo comprendido entre la parte superior del valle y la desembocadura. La clasificación depende de la cantidad y tamaño del sedimento que recibe el río y su capacidad para transportarlo. Como el material en suspensión y de arrastre, y la descarga varían en función del tiempo, una sección del río puede en distintas épocas ser del tipo a, b, ó c antes mencionados. a) En general, en un tramo donde un río tiene suficiente capacidad como para transportar aguas abajo los sedimentos que ingresan, sin formar grandes depósitos, puede decirse que en todo este tramo o en parte de él, forma meandros o serpentea. b) En cambio se dice que el tramo de río sedimenta, si reduce la pendiente de su lecho a un valor menor, el que podrá ser debido a:

b1) un ingreso excesivo de material en suspensión y de arrastre acompañados de una simultánea disminución de pendiente. b2) la presencia de un obstáculo tal como una presa de regulación o presa transversal que eleve el nivel de las aguas y disminuya la pendiente superficial. b3) la presencia de una extensión del delta en la desembocadura. b4) la entrada repentina de material sedimentable proveniente de un afluente.

Los ríos que sedimentan tienen generalmente tramos rectos y secciones transversales muy anchas con zonas de poca profundidad en el centro de las

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mismas y su curso suele estar dividido, lo que puede derivar hacia una sección muy amplia y un complicado sistema de cauces diversificados. c) El tercer tipo en la clasificación, es decir el tramo de río que erosiona se encuentra por lo general aguas arriba de una corta o aguas abajo de una presa. En el caso de la corta el proceso erosivo es el resultado del repentino descenso de la superficie del agua debido a la presencia de la corta, hecho éste que incrementa la pendiente del escurrimiento, lo que se traduce en un aumento de la energía y un consecuente aumento del transporte sólido. Cuando se interpone una presa en una sección del río, se produce la repentina disminución del material en suspensión naturalmente transportado, lo que ocasiona el paso de agua limpia por vertederos, por las tomas de riego, etc., esto se traduce en importantes procesos erosivos, por energía de transporte insatisfecha. Puede suceder que un río que serpentea o forma meandros se transforme temporariamente en uno de los otros dos tipos, en zonas donde se han llevado a cabo trabajos de corrección y protección de márgenes de magnitud tal que la erosión de las márgenes no sea significativa. Ello trae como consecuencia una notable reducción del material sedimentable. Puede afirmarse que entre los tres tipos de formas del río, el que serpentea o forma meandros es la etapa final y completa de la evolución y en cierto modo da una idea de su madurez, mientras que los otros dos son etapas intermedias que pueden mantenerse mientras las causas y efectos se mantengan invariables. Esta etapa final de ninguna manera es permanente ya que, cualquier cambio que se introduzca natural o artificialmente, afectará el régimen del río.

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FIGURA 1H

VALLE ALUVIALALTO VALLE

DELTA

TRAMO SUPERIOR TRAMO MEDIO TRAMO INFERIOR

EQUILIBRIO TEMPORARIOPROFUNDIZACIONDISMINUCION DE

PROFUNDIZACION

L

DESPLAZAMIENTO LATERAL Y AGUAS ABAJO DE LOS MEANDROS

2

EROSION DE LAS

LADERAS Y ACUMU

LACION EN EL CONO

DE DEYECCION Y

ULTERIOR TRANSPORTE

1

3

a- DESPLAZAMIENTOS DE MEANDROS

a-

b-

b- UNA SECCION TIPICA

4REGULACION OCONTROL DE

MODIFICACION QUE EXPERIMENTA UN RIO A LO LARGO

CORRECCION DE RIOSTORRENTES

DE SU CURSO1 - DEL PERFIL LONGITUDINAL 2 - EN PLANTA

3 - DE LA SECCION TRANSVERSAL 4 - MEDIDAS A ADOPTAR

I° ETAPA

RÍOprofundización

b-

a-

II° ETAPA

1 2

1- acumulación de material de lecho

2- desplazamiento transversal

EROSION EN FORMA DE CAPAS EN EL

CONO DE DEYECCIÓN Y EN LAS LADERAS

Figura 1

Hay sin embargo factores que se pueden considerar definitorios y característicos para cada río: • La distancia desde sus fuentes al mar. • El desnivel entre sus fuentes y el mar. • La magnitud y variación de su caudal y el material en suspensión. • El suelo que compone el lecho y las márgenes. A pesar de poderlos considerar definitorios, algunos de los factores antes mencionados tales como lo caudales y el material en suspensión, varían de año en año, salvo que existan trabajos de regulación que limiten esta variación.

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4.1 - RÍOS NAVEGABLES Se considera que un río es naturalmente navegable cuando, en el período de estiaje, durante las máximas bajantes, las profundidades del mismo en las zonas que se consideren, superan los calados máximos de las embarcaciones que deben recorrerlo, el ancho del canal natural navegable sea superior a los 30 metros, y que la velocidad máxima de la corriente no supere los 7,2 km/hora (2m/seg). En caso de que por excepción estos límites no se alcancen, ello deberá ocurrir solamente por lapsos breves, de modo tal que la navegación no sufra largas interrupciones. Se entiende por zona de un río, al tramo de una ruta principal o secundaria de navegación, comprendido entre dos puntos importantes de su recorrido tales como, accesos a puertos, desembocaduras de afluentes, confluencias, bifurcaciones u otro punto destacado.

4.2 - MEJORAS EN LOS CAUCES NAVEGABLES Las condiciones enunciadas de río naturalmente navegable, se pueden observar en las proximidades de sus desembocaduras en el mar. Estas condiciones difícilmente se las hallará en los tramos superiores en donde, por la mayor pendiente, el agua está animada de una velocidad superior a la mencionada, y las profundidades durante los estiajes resultan inferiores a las necesarias, de acuerdo al calado de las embarcaciones, resultando por lo tanto la navegación muy dificultosa o casi imposible. Esta situación da lugar a modificaciones artificiales del río, las que se consiguen mediante la canalización y la regulación. La canalización de un río consiste en establecer un sistema de cauces a lo largo del curso, eventualmente entre diques, con el fin de elevar la altura del nivel del agua entre una y otra presa, quedando el río dividido de esta manera en sectores de diferente cota lo que implica la utilización de esclusas para salvar los desniveles de referencia. La regulación o corrección de un curso de agua, en un sentido amplio del concepto, implica toda construcción u obra ejecutada en el mismo con el fin de dirigir, controlar y guiar su corriente incluyendo las crecidas, para corregir y regular el lecho del río o para aumentar su profundidad durante el período de estiaje. En otras palabras, se trata de la remoción de los obstáculos que el río presenta para la libre circulación de las barcazas (navegación), se modifican las pendientes, se corrige el cauce, se aumentan las profundidades y se refuerzan las márgenes dándoles nuevas formas. Estos trabajos deberán afectar, lo menos posible, las características naturales del río, tratando siempre de obtener las mayores ventajas de los mismos. En resumen, el propósito que se persigue con la regulación de un río es la estabilización de un canal a lo largo de determinado trazado, con una determinada sección transversal, para uno o más de los objetivos que a continuación se enuncian: 1.- Seguro y rápido pasaje de las crecidas, corto lapso de Interrupción de la navegación. 2.- Transporte eficaz del material en suspensión y de arrastre.

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3.- Lecho del río con tendencia a estable, con un mínimo de erosión en las márgenes y control de velocidad en los tramos de navegación crítica. 4.- Suficiente profundidad adecuada para la navegación. 5.- Dirección de la corriente a lo largo de un tramo definido del río. Regularización y suave trazado de curvas.

4.3 - ALCANCES DE LA REGULACIÓN DE LOS CAUCES NAVEGABLES De acuerdo con el objetivo a alcanzar, los trabajos de regulación pueden ser diversos según se pretenda:

a) Regulación de aguas altas. b) Regulación de aguas bajas c) Regulación de aguas medias.

a) La regulación de aguas altas, tiene por objeto obtener una sección transversal suficiente y eficiente para el pasaje rápido de la máxima crecida. Le concierne esencialmente al alineamiento, trazado y altura de márgenes u obras de endicamiento para una determinada descarga. Por lo general no se trata de modificar las condiciones naturales del río ni del lecho, sin embargo hay casos en que son necesarios la ejecución de cortas y trabajos de dragado. Se la denomina también regulación de descarga. b) La regulación de aguas bajas, tiene por objeto dotar al canal de profundidad suficiente para la navegación durante el período de estiaje. Esto por lo general se obtiene disminuyendo el ancho del canal a límites permitidos. Se la denomina también regulación de profundidad. c) La regulación de aguas medias es, de las tres enumeradas, la más importante. Toda tentativa de modificar la configuración del lecho del río, en lo que a su traza o sección transversal se refiere, debe hacerse de acuerdo con un estado de nivel de aguas para el que la generación natural del lecho, a lo largo de un año o cierto número de años, sea la máxima. Veremos más adelante que la etapa de máxima formación del lecho corresponde aproximadamente a niveles de aguas medias. Es por ello que la regulación de aguas medias forma la base sobre la que deben planearse las regulaciones de aguas altas y bajas. Teniendo en cuenta que la regulación de aguas medias tiene como objetivos la corrección de la configuración del lecho del río y un eficaz transporte de sedimentos para mantener el canal en condiciones, se puede llamar esta tercera y última regulación (regularización para equilibrio) en el balance de los acarreos de lecho.

4.4 - PASOS EN ALTOS FONDOS O BARRAS En la República Argentina pocos son los ríos que se usan intensamente para navegación comercial. En particular los que hoy se utilizan son el Uruguay (en las porciones de aguas arriba y aguas abajo de la presa de Salto Grande ya que ella no posee esclusa de navegación), el alto Paraná, el Paraná Medio y el Río de la Plata. El Río Paraná Medio y el Río de La Plata forman parte de la denominada Hidrovía.

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A partir del proyecto de Hidrovía, se indican a continuación las profundidades efectivas para la navegación en las distintas rutas fluviales de nuestro sistema hidrográfico: 1. Del río Uruguay:

ZONA KM METROS PIES Desembocadura - Concepción del Uruguay 0-183 7,50 25

Concepción del Uruguay - Colón 183-216 6,90 23 2. Del río Paraná:

ZONA KM METROS PIES Boca del Río de La Plata - Puerto San Martín

0 - 460

9,60

32

Puerto San Martín - Paraná 460 - 597 6,60 22 Paraná - Asunción 597 - 208 3,60 12

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Se da el nombre de paso a toda zona del río en la que la profundidad mínima y por lo tanto determinante para la navegación, es menor que la fijada por las leyes antes mencionadas para el tramo que se considera. Aunque parezca un contrasentido se llama paso al lugar donde el tráfico de embarcaciones experimenta mayores dificultades, la denominación se debe a que es en esos lugares, en períodos de aguas muy bajas, se podría cruzar o vadear el río. Se la llama también zona crítica. Llamaremos profundidad determinante, a la profundidad mínima que se dispone para la navegación en una zona, y que limita el calado máximo de las embarcaciones que la navegan. Entonces, la profundidad determinante será igual a la profundidad del paso de mínima, esta última profundidad está referida al cero de la escala del hidrómetro más cercano, más la altura del nivel de agua registrada en el mismo hidrómetro. Se mencionará también que en los ríos de fondo o lecho móvil, como el del río Paraná, durante el período de estiaje, los pasos se autoprofundizan como consecuencia del encauzamiento de las aguas en una sección contraída, en una proporción tal, que aumenta la velocidad media y por consiguiente su poder de arrastre, transporte y erosión. Se conoce que se han registrado autoprofundizaciones del orden de los 2 a 3 pies.

Tren de barcazas en Hidrovía 4.5 - CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DE LOS CAUCES EN GENERAL 4.5.1 - Movimiento del agua en los cauces fluviales El movimiento del agua en los cauces fluviales, incluyendo los tramos que pueden considerarse como suficientemente rectos y regulares, no se verifica como se admite para mayor simplicidad en las fórmulas de la hidráulica, según filetes de corriente paralelos, y la superficie libre no adquiere una forma perfectamente plana. Los apartamientos de los resultados experimentales, con respecto a los que se obtienen en base a hipótesis simplificativas, se hacen más notables cuando los cauces presentan irregularidades y culminan en los casos en que los tramos considerados se desarrollan en curvas. Por consiguiente, veremos a continuación algunos fenómenos del movimiento de las aguas en los ríos, fenómenos que, en el estudio del régimen físico de los

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cursos mismos, concurren a establecer y explicar determinadas correspondencias. Según Moller, el movimiento del agua en los cauces, aún cuando se trate de tramos rectos, no se verifica por filetes paralelos a la dirección del cauce, sino que se verifica por líneas en forma de espiral, cuya proyección horizontal es una línea sinuosa tal como se indica en la Figura 2. Esto conduce a una interpretación distinta del perfil transversal de los cursos de agua, presentándose una sección cóncava hacia arriba, por cuanto en la proximidad de las márgenes las masas de agua tienden a levantarse, ya sea por movimientos reflejos en los taludes, por efecto de las escabrosidades o rugosidad de las márgenes o bien por volúmenes de agua provenientes de lugares de mayor velocidad. Cuando es necesario disminuir la propia velocidad, tienden a levantar el nivel para aumentar la sección de descarga. De esta manera la aceleración de las partículas de agua desde las orillas, y la que se produce a lo largo del eje del movimiento de traslación, componiéndose entre sí, producirían el movimiento helicoidal antes mencionado. Las aguas convergentes hacia el centro tienden a inclinarse hacia fondo para subir después nuevamente a la superficie y por consiguiente el movimiento de las aguas sería contemporáneamente rotatorio y de traslación, según dos hélices cuyo sentido está dirigido hacia el medio en la fase ascensional Luego, en el sucesivo descenso por inercia, se propaga hacia el fondo del río la mayor velocidad del filón superficial y por consiguiente en la zona de choque o de contacto de esta velocidad el lecho mismo soporta la máxima acción erosiva. Cuanto más importante es el movimiento rotatorio de las aguas, tanto más significativo será el movimiento del lecho del río. En un curso de agua perfectamente regular y de ancho no excesivo, esta zona está ubicada en el medio del cauce y el material erosionado es transportado hacia las orillas. El río así excava su propio lecho.

Figura 2

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Figura 3

En correspondencia con una curva subsiste solamente uno de los movimientos helicoidales, como aquel que existía aguas arriba a lo largo, de la orilla convexa.

Figura 4

En la curva, los filetes líquidos de la superficie se dirigen hacia la orilla cóncava, mientras que los filetes del fondo se dirigen hacia la convexa.

1

2

3

1

2

3

FIGURA 4

M

H

V

a X

b

C

A

SR

B

U

YO r

r < < R

a - b1:n

O

U

f

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Así, mientras hacia la orilla cóncava el lecho se profundiza, hacia la orilla convexa se depositan los materiales removidos. El descenso de los filetes superficiales se advierte en el lugar en que empiezan las aguas profundas, y por consiguiente, es en su proximidad donde el poder de socavación de la corriente es máximo. El bajo fondo se prolonga hacia aguas abajo, por cuanto el agua profunda conserva una parte de su velocidad inicial, Figura 5. Moller agrupó tales conceptos en los dos principios: 1- El punto de la profundidad máxima se halla tanto más aguas abajo del vértice de la curva, cuanto mayor es el ancho (B) del río y cuanto menor es el ángulo (α) al centro de curvatura. 2.- Cuando el ancho B del río es un valor escaso y es grande el ángulo al centro de curvatura, la tangente arriba indicada corta a la línea de orilla, aguas arriba del eje central de la curva. Figura 6.

BM

M

UUU

H

J

X

o

A

Figura 5

X H

J

M

M

B

Figura 6

En un curso de agua sinuoso y que por consiguiente presenta bajos y altos fondos, el movimiento del agua en los períodos de aguas medias y de estiaje se presenta con las siguientes características:

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• A lo largo de los bajo fondos donde la sección de descarga es más amplia, la velocidad del agua es menor y la pendiente superficial es más reducida. • En los lugares en que empiezan los bajo fondos se tendrán trayectorias de descarga convergentes y al final de los mismos, trayectorias divergentes. Por consiguiente, se tendrán pendientes oblicuas a la dirección del curso de agua en el trecho d-e, mientras que en las proximidades de a se verificarán las mayores velocidades, Figura 7.

1 2 3 4 5 67

8 9 10 1112

13

a bc

d

e f g h

PLANTA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

a bc d e f

g h

CORTE LONGITUDINAL

Figura 7

Además, el ancho de la sección hacia la mitad del trayecto entre dos bajos fondos, la sección 8, se presentará mayor, por lo que la profundidad del agua en la misma tendrá que ser reducida provocando la formación de un banco. Las teorías y principios de Möller, que se han resumido brevemente han sido confirmados mediante ensayos sobre modelos hidráulicos. El movimiento del agua en los ríos, considerado hasta ahora reducido a casos muy simples, resulta ser mucho más complicado. En efecto, en los cursos de agua naturales, en los que las secciones varían continuamente, varían también los puntos en los que la presión hidráulica es mayor o menor, y la masa de agua en movimiento busca continuamente llegar a una situación de equilibrio. Por consiguiente los filetes de agua se mueven siguiendo trayectorias onduladas irregulares y en todas las direcciones imaginables. Si en el fondo y en los taludes de las márgenes existen grandes irregularidades o materiales en movimiento, el agua a veces es impelida hacia arriba y otras hacia abajo, con movimientos varios alternativos y difícilmente predecibles. Donde el agua es llevada hacia el fondo, se manifiestan en la superficie los conocidos vórtices en forma de embudo que aspiran hacia abajo los cuerpos flotantes, mientras que en los lugares en que las aguas suben, desde el fondo

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hacia la superficie se forman hervideros y sobreelevaciones. Los dos fenómenos pueden producirse muy cerca el uno del otro, casi tangentes, dando lugar a movimientos extremadamente complicados a los que se suman las componentes de traslación de la corriente. Los movimientos en profundidad se manifiestan más fácilmente donde la presión es máxima o donde la resistencia es mínima, es decir, en el entorno donde se acumulan las aguas en las curvas, en el choque que se produce contra los taludes o por efecto de la erosión en el fondo del cauce. Este movimiento de fondo atrae desde todas partes corrientes de agua, y la resultante de las fuerzas que concurren al fenómeno, es generalmente un sistema de cuplas, por el cual las aguas adquieren el movimiento tortuoso del vórtice. En razón de lo expuesto es lícito suponer que las masas de agua se desplazan combinando movimientos de carácter rotatorio y movimientos de traslación rectilíneos, casi con deslizamiento de capas. El primer movimiento se manifiesta de manera especial hacia el fondo del cauce, el segundo hacia la superficie del agua. En correspondencia con ensanches bruscos de la sección transversal se verifican las condiciones favorables a los movimientos de carácter rotatorio, mientras que en estrechamientos bruscos se verifican las condiciones favorables a los movimientos de deslizamiento. Los movimientos verticales absorben una gran parte del trabajo debido a la acción de la gravedad y en cantidad tanto mayor cuanto más excitados son por las irregularidades del lecho y cuanto menor es la masa del agua a la cual se comunican. En efecto en los pequeños cauces con lechos formados por material grueso, se observa una velocidad muy moderada, no obstante la pendiente acentuada, en comparación con la de los grandes ríos de escasa pendiente, pero con aguas profundas y con cauces formados por agregados pequeños y homogéneos. En base a datos experimentales relativos a velocidad y grado de turbulencia específica se ha podido establecer que, en una sección transversal típica de un río deben existir las zonas que se indican a continuación: a. Zona central con turbulencia moderada y velocidad elevada. b. Zonas laterales con turbulencia elevada y velocidad moderada. c. Zonas externas con pequeña turbulencia y velocidad reducida. En cursos de agua anchos y poco profundos tal sistema de zonas se complica, pero parece casi cierto que los fenómenos observados en los mismos tales como formación de canales múltiples, alto fondos en el medio del cauce, etc. son debidos a bandas más o menos paralelas que se forman en la masa líquida y en las que existe un filón con un máximo de velocidad local, filón al que acompañarán dos filones de máxima turbulencia. Además, por estar la distribución de las velocidades sujeta a fluctuaciones, resulta evidente que el cauce de un curso de agua muy ancho con relación a su profundidad no puede poseer un carácter estable, lo que se verifica, por el contrario, en un cauce en el que puede formarse solamente un filón, o sea, una velocidad máxima.

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4.6 - CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS CURSOS DE AGUA Un sistema fluvial está constituido por un conjunto orohidrográfico que presenta caracteres bien determinados en relación al modo en que se desarrollan los fenómenos de dinámica geohidrológica. El sistema mismo, en su configuración ordinaria comprende una cuenca hídrica de recepción en la que se mantienen con mayor intensidad los fenómenos de la degradación, una garganta de erosión, una cuenca de expansión y de deposición de los materiales de mayores dimensiones arrastrados por las aguas, y un recorrido de llanura en cauce formado por materiales muy pequeños, a veces encajonado y por lo general con curvas muy pronunciadas. En estas últimas zonas, en el valle aluvial las aguas transportan solamente arena y limo. El complejo orohidrográfico así esquematizado se compone, a su vez, de otros sistemas semejantes, constituidos por valles afluentes secundarios, de manera que los fenómenos geohidrológicos del sistema principal no son otra cosa que, la resultante de los varios y, semejantes fenómenos más o menos diferenciados en sus fases, de los sistemas menores. No es el caso de exponer en detalle, las causas y los fenómenos del dinamismo geológico que se conoce con el nombre de degradación de las cuencas, causas y fenómenos que se suponen conocidos o que pueden hallarse explicados en tratados de Geología. Lo que se intentará sí, es el estudio de la física de los cursos de agua, entendiendo con ello, las transformaciones, las alteraciones de los cauces fluviales producidas por el trabajo de las aguas al escurrir. Los cauces fluviales en las zonas de llanura, tienen casi siempre un curso tortuoso, es decir que forman meandros. La distinta naturaleza, consistencia y estratificación de los terrenos, en los que se forma el cauce, el modo como se produce la erosión y la deposición de los materiales, su naturaleza y dimensiones, los varios accidentes naturales y artificiales que las aguas pueden encontrar en su recorrido, son las causas por las que el curso mismo sigue una marcha muy serpenteante o sinuosa, si no Interviene la mano del hombre para rectificarlo y fijarlo. Se han dado a lo largo del curso, varias explicaciones del modo de formarse, desarrollarse y progresar, de las curvas o meandros; aquí, solo se expondrán criterios que sirven de base a esa explicación y que parten de conceptos muy diferentes. Supongamos un cuerpo prismático, con una dimensión preponderante, sometido a fuerzas exteriores iguales y contrarias aplicadas a los extremos de su eje. Ese cuerpo está en equilibrio, pero en el cuerpo mismo hay una cierta tendencia a encorvarse. Si las fuerzas se encuentran accidentalmente desviadas con respecto al eje, se determina una componente transversal, tanto mayor, cuanto más grandes son las fuerzas en valor absoluto. Esta constatación puede extenderse también a un sistema en movimiento. Considérese un tren compuesto de vagones de tipo uniforme, descendiendo por gravedad según un perfil rectilíneo inclinado. Si la pendiente es constante y también lo es la resistencia al movimiento, todos los vagones del tren adquieren una misma velocidad de régimen sin compresión o tensión sensible en las uniones. Pero si la velocidad de los vagones inferiores tiende a disminuir, sea por cambio de pendiente, sea por mayor resistencia al movimiento, es evidente que los enganches sucesivos del tren se hallaran sometidos a esfuerzos de

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compresión y esta compresión facilitará aquellos desplazamientos transversales que tienden a presentarse accidentalmente. Si por el contrario la velocidad de los vagones de cabecera, aumenta, por disminución de resistencia al movimiento, o por mayor pendiente, los enganches entrarán en tensión y el esfuerzo transversal no tendrá más el efecto de aumentar las incipientes desviaciones, sino que al contrario tenderá a rectificar el movimiento. Estos fenómenos, si son aplicables según Hoocke a una corriente líquida, pondrían de manifiesto lo siguiente: a) Tendencia a la inflexión, por erosión de una de las márgenes cuando, la velocidad de la corriente disminuye en dirección aguas abajo, sea por aumento de la resistencia en el cauce, sea por disminución de la pendiente. Si la curvatura de la sección existe ya, esta tendencia contribuye a aumentarla, sobreponiéndose a la fuerza centrífuga. b) Tendencia a la rectificación, por erosión de las márgenes convexas, cuando al contrario la velocidad aumenta en dirección aguas abajo por causas inversas a las puntualizadas en a). En efecto, si se imagina un curso de agua de trazado rectilíneo de pendiente constante y de fondo móvil, se comprende por lo que se ha expuesto más arriba, que las erosiones, el transporte de los materiales y su deposición no podrán verificarse de una manera completamente uniforme a lo largo de todo el curso imaginado. Algunas partes de ese cauce se profundizarán, otras se embancarán en diferentes medidas y según su consistencia relativa y la desigualdad de la velocidad accidental. El cauce, después de algún tiempo, presentará una sucesión de bajos y altos fondos. Cada alto fondo formará un obstáculo en el sentido que se ha descripto y creará una tendencia a desviaciones transversales en el tramo aguas arriba, es decir el lugar donde hay aguas profundas. Todo contribuirá a que se acentúen las curvas, y como el arrastre de los materiales es favorecido por movimientos vorticozos que se manifiestan particularmente en las orillas cóncavas, los bajos tenderán a internarse en tales márgenes, aumentando la curvatura la profundidad y el talud. A la creación de este fenómeno contribuyen otros dos factores importantes, a saber, la fuerza centrífuga y el estrechamiento de la sección por el depósito de los materiales en la orilla convexa. El caso contrario, es decir, la tendencia a la rectificación por erosión de las orillas convexas, se verifica cuando se produce un aumento de velocidad de la corriente, por la llamada, debida a la desembocadura del río en el mar, en un lago o en otro río; también en el curso medio del río, por efecto de las crecidas que tienden a rectificar el cauce de inundación. Lo que se ha dicho con respecto al movimiento de las aguas en las curvas, la formación de los pozos y la posición del lugar de máxima profundidad, con relación al vértice de la curva, explica fácilmente el continuo avanzar hacia aguas abajo de los vértices mismos y por consiguiente de los meandros. Otro criterio sobre la formación de meandros es el de Exner. Según este autor, las sinuosidades derivan de pequeñas causas, las que desvían al agua del curso rectilíneo o bien de las fuerzas de inercia creadas por el movimiento en las curvas. Un primer movimiento fuera del rectilíneo da origen, naturalmente a otros análogos y el curso de agua serpentea pendularrmente de una orilla a otra.

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Mientras las desviaciones de la corriente en tal sentido se extienden siempre más, los meandros se desplazan hacia aguas abajo, de modo que con el tiempo, según lo demuestra la experiencia, todo el territorio cruzado por el río viene a ser trabajado y transformado. Imagínese una canaleta de sección transversal semicircular, ligeramente inclinada e introdúzcase en la misma, dejándola libre, una pequeña esfera. Esta rodará, pero no siguiendo una trayectoria rectilínea a lo largo de la generatriz más baja, por cuanto, a causa de las pequeñas irregularidades de la misma o de la canaleta, se desplazará de derecha a izquierda sucesivamente, volviendo a pasar, cada vez, por la generatriz misma. El recorrido de la esfera será por consiguiente pendular. La distancia entre dos puntos de pasaje de la esfera por la generatriz, depende naturalmente, de la duración de la oscilación de la esfera y de la velocidad de traslación. El movimiento del agua en los cauces puede considerarse muy semejante al de la esfera antes descripta, es decir basado en el concepto que el movimiento mismo resulta compuesto por la oscilación vertical y por movimiento de traslación a lo largo de la línea de máxima pendiente. En un cauce fluvial, en las orillas cóncavas de las sinuosidades (margen externa de la curva), donde se produce la erosión, el pelo de agua, por efecto de la fuerza centrífuga, se encuentra a un nivel más elevado que el del pelo de agua de la orilla convexa de esta manera, se podría explicar el fenómeno fundamental de la onda. Además debe tenerse en cuenta que la masa de agua sobreelevada en una concavidad sobre la margen izquierda, se desplaza a lo largo de la otra margen para dar lugar en ella a otra sobreelevación. Al mismo tiempo se verifica también un movimiento hacia aguas abajo, lo que trae como consecuencia el traslado del meandro.

4.6.1 - Consideraciones cinemáticas y geométricas Por lo tanto, si (t) representa el tiempo transcurrido entre el pasaje de una masa de agua por los puntos (C) y (D), de la Figura 8, (u) la velocidad de traslación en dirección de la pendiente media (AB), y (L) la distancia entre los puntos (C) y (D) en los cuales el agua choca contra la orilla produciendo erosión, se tendrá:

L= t u

La distancia L se llama longitud de onda del meandro. La duración de la oscilación a lo largo de los ríos puede estimarse haciendo uso de la fórmula del balanceo (seiches) que se produce como efecto pendular en aguas confinadas (lagos) por viento o variación de presión, que expresa:

t = 2 b / (g h)1/2 Asimilando b al ancho de la zona de meandros, con h profundidad media, y sustituyendo se tiene:

U = L (g h)1/2 / 2 b

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E1C D

b

BA

E

L

Figura 8

De esta fórmula derivan las reglas fundamentales de los meandros, según el criterio de Exner. En efecto: l) Un río que tenga aproximadamente constantes la profundidad y la velocidad del agua debe también presentar un valor constante de la relación L/b, lo que equivale a decir que la longitud de los meandros varía proporcionalmente a su anchura y viceversa. 2) Si se consideran ríos con profundidades iguales pero con velocidades desiguales, para valores menores de u se tendrán valores menores de L/b y por lo tanto se deduce que las sinuosidades son tanto más pronunciadas cuanto más lentamente corren las aguas de los ríos. Por consiguiente, los cursos de agua de carácter torrencial tienen un trazado menos tortuoso. 3) Cuando en un río la velocidad de la corriente es de un valor sensiblemente constante, la relación L/b disminuye con la profundidad del agua. Como la profundidad por lo general aumenta con la masa de agua, o sea hacia aguas abajo, resulta que la tortuosidad de los ríos es más acentuada en los tramos inferiores. 4) Con el avance de la erosión, el ancho de los meandros aumenta y por consiguiente, de acuerdo con la regla 1 aumenta el largo L de la oscilación de los meandros. Las sucesivas fases de los meandros se presentan como indica la Figura 9.

1

2

3

3

2

1

Figura 9

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En efecto, los cursos de agua desarrollan sus sinuosidades y desplazan continuamente hacia aguas abajo los vértices de las curvas, a lo largo del valle, donde es posible la formación de meandros. Para la constatación práctica de la fórmula propuesta, resulta sencillo medir en las cartas la longitud L, en tanto que la evaluación del ancho b, que depende de las crecidas periódicas, resulta muy variable y en consecuencia de difícil determinación. También la profundidad del agua es variable, pudiendo adoptarse el valor medio de los estados hidrométricos observados. Los datos más inciertos son los relativos a la velocidad media U. Conviene recordar además que la velocidad media depende del estado hidrométrico. Deberá tenerse en cuenta que la formación de los meandros está influenciada por el estado de aguas altas, ya que es en estos estados hidrométricos que se producen los cambios en el fondo y las erosiones. Por lo tanto resulta conveniente que los valores (L, b, h y u) a introducirse en las fórmulas, sean los correspondientes a los estados de crecida. 4.6.2 - Movimiento de sedimentos en relación con la estabilidad de los cauces La regulación de un cauce para un determinado valor de caudal, significa elegir un trazado, perfil longitudinal y perfiles transversales de las secciones del escurrimiento, tales que el conjunto actúe en equilibrio dinámico, y en consecuencia son esas leyes las que se usan Como todos los ríos aluviales transportan sedimentos tanto en suspensión como de arrastre, es esencial que el canal se diseñe de acuerdo no solamente con el escurrimiento del agua sino también con el escurrimiento de los sedimentos. La ley que gobierna el diseño o trazado de canales para el escurrimiento de agua, está perfectamente establecida, pero la que gobierna el trazado de canales para transporte de sedimentos está todavía en la etapa de la experimentación. La carga de sedimentos en ríos se divide habitualmente en material o carga del lecho y material o carga en suspensión. Como se viera al comienzo del curso, la primera se materializa por medio de partículas deslizándose, rodando y saltando sobre o cerca del lecho y la segunda por aquellas suspendidas en el agua. En realidad el material en suspensión es solamente una etapa avanzada del movimiento del material del lecho y no se puede establecer una marcada diferenciación entre ambos, especialmente en la zona vecina al lecho, donde las partículas de sedimentos están en un estado de saltación. Sin embargo es conveniente establecer una distinción y es así que, la porción de sedimentos saltando cerca del lecho, que puede ser considerada como la parte inferior del material en suspensión en una vertical, se torna generalmente como material del lecho. Es muy difícil definir cual de las dos cargas, la en suspensión o la del lecho, es más importante para la formación del lecho en un río. Del resultado de experimentos con material en suspensión surge que si las partículas de sedimentos se mantienen realmente en suspensión, las leyes que rigen el escurrimiento pueden considerarse muy similares a las del agua limpia

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Si una corriente de agua pudiera descargar la totalidad de su sedimento en suspensión en el mar, no habría razón para creer que la carga en suspensión pudiera afectar la configuración del lecho del río, al no existir deposición ni erosión. El río Amarillo en China, y el Pilcomayo en el límite entre Argentina y Paraguay son casos típicos de ríos que no son capaces de transportar el material en suspensión que acarrean. En general puede afirmarse que es el material del lecho, incluyendo aquella parte de material en suspensión que se halla ubicada muy cerca del mismo y está sujeto a deposición, rodadura y saltación, el que define la configuración del lecho de un río. 4.6.3 - Efecto de la meandrosidad sobre la fuerza de arrastre En los casos de escurrimiento a lo largo de curvas, el desplazamiento de la máxima velocidad hacia la margen cóncava y la presencia de corrientes secundarias, tienden a aumentar la fuerza de arrastre con respecto a la expresión ( γ R J). Para un determinado material de lecho, en el curso de un río que presenta curvas, la fuerza de arrastre para provocar el movimiento es menor que la que se necesita en un canal recto. El ingeniero E. W. Lane en su trabajo propone una reducción de la fuerza de arrastre crítica para diferentes grados de tortuosidad o sinuosidad de canales. Los valores están dados en la Tabla siguiente:

GRADO DE SINUOSIDAD

% DE FUERZA DE ARRASTRE CRÍTICA PARA EL INICIO DEL MOV. DEL MAT. DEL LECHO

COMPARADO CON CANALES RECTOS

% DE VELOCIDAD MEDIA

CORRESPONDIENTE Canales rectos 100 100

Canales ligeramente

sinuosos 90 95

Canales moderadamente

sinuosos 75 81

Canales muy sinuosos 60 78

4.6.4 - Transporte de sedimentos Cuando la fuerza de arrastre del agua al escurrir, excede el valor crítico, el material del lecho es puesto en movimiento. La proporción de material del lecho transportado, depende de la magnitud de la fuerza de arrastre del agua con relación a dicho valor crítico. La cantidad de material transportado aumenta con el incremento de la altura hidrométrica y el caudal. Para una misma altura hidrométrica, la proporción de sedimentos transportados, así como el caudal son diferentes en caso de hallarse el río en creciente o en bajante, por lo que es importante poder determinar el transporte de material del lecho para los diferentes estados del río. Aunque difíciles de llevar a cabo, conviene la ejecución de mediciones en el lecho del río con algún tomador de muestras adecuado. Hasta ahora no se ha diseñado un aparato que pueda medir real y convenientemente la proporción de

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material de lecho transportado. Los instrumentos en uso en la actualidad, generalmente obstruyen el escurrimiento natural del agua y tienden a formar remolinos en su proximidad inmediata, cambiando la proporción de transporte cerca del lecho, resultando una muestra no representativa. Los resultados de mediciones así obtenidos, deben ser examinados cuidadosamente y representados en gráficos que vinculan la altura hidrométrica con la proporción de material de lecho expresada en Kg/s o m³/s para toda la sección que se considere. Un ejemplo típico de la representación es la que corresponde al río Weichsel en Thorn, Figura 10. Los ríos aluviales tienen siempre cursos sinuosos. Si no se dispone de los datos de mediciones, la proporción de transporte puede calcularse utilizando las fórmulas obtenidas de experimentos realizados en canales artificiales, verificadas en cursos de agua naturales, teniendo en cuenta que, de no ser así, su aplicación a ríos podría inducir a errores.

4.6.5 - Conclusiones referentes a tramos con meandros Como ya se dijo anteriormente, entre los tres tipos de ríos aluviales, vale decir los que sedimentan, los que erosionan y los que forman meandros, el último tipo indica la etapa de un río aluvial en su completo desarrollo. El fenómeno del serpenteo o formación de meandros en ríos fue observado y descrito hace tiempo por ingenieros en Europa y América así como expertos en irrigación en la India. La contribución más completa sobre este tema debe atribuirse a Fargue, un ingeniero francés que realizó trabajos en el río Garona, de los que enunció las conocidas leyes para corrección de cursos de agua que llevan su nombre. Esta contribución de Fargue ha sido de mucha importancia y es una guía para los ingenieros que trabajan en cauces naturales aún hasta el presente. Friedkin en Estados Unidos ha realizado experimentos con los que explica prácticamente el serpenteo de los ríos que estamos tratando. Inglis y Joglekar en la India explicaron el fenómeno, atribuyéndolo a una excesiva carga del material del lecho en movimiento y al desarrollo de corrientes convergentes hacia una de las márgenes. Hay un hecho que no se discute y es que la formación de meandros, una vez establecida, tiene una cierta forma y dimensión, variando en función de la descarga, pendiente y composición de los materiales que forman el lecho y las márgenes del río. Estos hechos han sido observados en ríos naturales y en modelos; sin embargo no se ha podido establecer relaciones cuantitativas hasta el presente. Las conclusiones alcanzadas por varios experimentadores, referentes al tema que se trata pueden resumirse como sigue: a) Un río serpenteando a través de un valle aluvial, debe formar una serie de curvas consecutivas, de curvatura opuesta, conectadas con tramos rectos cortos, denominados pasos, con la máxima profundidad en el vértice de la curva o cerca de la misma; disminuyendo dicha profundidad gradualmente hasta la sección menos profunda del paso. Un meandro, en su completo desarrollo, con un material de valle homogéneo, tendrá una forma definida de curvatura, largo, ancho y profundidad del canal, características todas factibles de reproducir en modelos. Los trabajos de Inglis y Joglekar indican que la amplitud del meandro, que es la distancia transversal entre el vértice de una

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curva y el de la siguiente opuesta, y el largo del meandro, distancia en línea recta entro dos puntos de tangencia de dos curvas sucesivas, así como el ancho del río, todas varían aproximadamente con la raíz cuadrada de la descarga Q. b) La forma del meandro cambia siempre que haya un cambio de descarga, pendiente, material de margen y del que forma el lecho. Generalizando el tamaño de las curvas, sus largos y anchos, así como el grado de sinuosidad en línea recta entre los dos puntos homólogos que se consideran, todos estos son factores que se incrementan al incrementarse la descarga o la pendiente. Un aumento de la carga de sedimento o de la erosión de las márgenes, aumentará la pendiente, así como el ancho, al mismo tiempo que se reduce la profundidad del río. c) Cada fase del serpenteo depende así de la influencia combinada de tres factores íntimamente relacionados:

l - La descarga y las propiedades hidráulicas del cauce. 2 - La descarga de sedimentos del curso de agua. 3- La erosión relativa del lecho y márgenes.

Su interrelación es muy complicada porque ninguna de las variables puede ser considerada completamente independiente de las otras.

( m )

H

ALTU

RAS

HID

RO

MET

RIC

AS

5

4

3

2

1

010 20 30 40 50 60

Kg / Seg

TRANSPORTETRANSPORTE DE MATERIAL DEL LECHO

WEICHEL EN THORN Figura 10

4.6.6 - Mejoras en los cauces de llanura En el PLANO A se observa el comportamiento planimétrico de un cauce natural en área de llanura. Superpuesto el proyecto de sistematización con curvas y contracurvas suaves, cortas etc. El proyecto incluye la protección de márgenes cuyas ubicaciones planimétricas se indican en el PLANO B.

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PLANO A

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PLANO B

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En el PLANO C se puede apreciar el proyecto de sistematización de un tramo de cauce torrencial. En él se observa la planimetría del curso y su correspondiente perfil longitudinal, en donde se aprecian las ubicaciones de las esclusas de navegación

PLANO C

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