PLANTA DE SEDIEMNTACION

Con frecuencia se diseñan obras hidráulicas en base a caudales máximos estimados, ignorando

en muchos casos que en condiciones extremas los ríos transportan grandes cantidades de

sedimentos. Esto conduce a daños parciales o totales de las estructuras debido a que el régimen

hidráulico se ve afectado por los sedimentos transportados.

El análisis del flujo de agua en canales es sumamente importante para el diseño de los mismos. El diseño de

un canal consiste en la selección de la forma y dimensionamiento de la sección transversal de manera que

cumpla con todos los requisitos de funcionamiento hidráulico.

Algunas de las consideraciones importantes que se deben considerar son:

a) El canal se divide en tramos con flujo uniforme para su diseño.

b) La velocidad del agua en el canal debe ser suficientemente alta para evitar la sedimentación de

partículas en suspensión o en el fondo.

c) La velocidad del agua en el canal debe ser lo suficientemente baja para evitar la erosión de las

paredes y el fondo del canal.

d) Las dimensiones iniciales del diseño deben ajustarse en algunos casos, para hacerlas más

convenientes en la práctica, por lo que primero se determinan las dimensiones siguiendo las leyes de

FLUJO UNIFORME y luego se definen las dimensiones definitivas.

e) Las dimensiones finales del diseño deben evitar tener profundidades del flujo próximas a la

profundidad o tirante crítico, por lo que se debe analizar el FLUJO CRÍTICO.

Un canal es un conducto a través del cual circula el agua, éste puede ser cerrado o abierto, artificial o natural.

La característica principal de un canal es que el agua se mueve con FLUJO LIBRE, es decir, por acción

exclusiva de la gravedad y el líquido se encuentra parcialmente envuelto por un contorno sólido. Las

secciones transversales más comunes en canales son: trapecial, triangular, rectangular y parabólico.

y

Triangular

y

b

T

Rectangular

y

Parabólico

Trapecial

y

b

T

z

1

y = tirante (m)

b = plantilla (m)

T = ancho de superficie libre del agua (m)

z = componente horizontal del talud

SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES

Los problemas ocasionados por los sedimentos son especialmente difíciles en Colombia por causa de las

condiciones geológicas, topográficas, meteorológicas, de suelos y vegetación en extensas zonas del país,

lo que significa que debe darse gran énfasis a las investigaciones sobre el tema. En varios embalses

construidos en Colombia han ocurrido problemas por efecto de la sedimentación durante operación, que en

parte se debieron a la falta de investigaciones adecuadas en la etapa de estudios y preparación de diseños

para las obras.

Para proyectos hidroeléctricos se requiere el embalse lleno hasta el máximo nivel, con el fin de

que produzca la máxima cantidad de energía; la cual se ve afectada al disminuir su capacidad debido a la

carga de sedimentos que le llegan.

La carga sedimentologica del río se ve forzada a detener igualmente su marcha, acumulándose en forma de

depósitos, hasta que habiendo colmatado casi la totalidad del vaso, permite al flujo adquirir la

velocidad necesaria para transportarla sobre la presa.

Cualquiera que sea el tamaño del embalse o el uso final que se le dé al agua, la principal función

de este es la de estabilizar el flujo de agua, para regular el suministro en una corriente natural o para

satisfacer una variada demanda por parte de los consumidores.

VIDA DE UN EMBALSE

Es el tiempo que continuara almacenando cantidad útil de agua, se determina por la rapidez con la que se

acumula el sedimento año tras año y no se quita del embalse ni por acción natural ni por trabajo del hombre.

Para poder determinar la disminución de la capacidad efectiva del embalse se necesitan datos sobre la

carga de sedimentos que los afluentes aportan al embalse. Solamente los sedimentos gruesos reducirán

esta capacidad; los materiales en suspensión se sedimentaran cerca de l a presa lo cual no

influye directamente en la capacidad del embalse.

La producción de sedimentos incide directamente sobre el costo de la inversión inicial, al exigir mayores

alturas de presa para albergar espacios muertos destinados a la conmutación dado que resulta

prácticamente imposible remover los sedimentos por el altísimo costo.

EFICIENCIA DE RETENCIÓN:

La vida útil de un embalse depende de la cantidad de sedimentos que este es capaz de retener; no depende

únicamente, de los sedimentos que son aportados si no también de la proporción de ellos que son

retenida. La relación entre la retención y el aporte recibe el nombre de eficiencia de retención.

La eficiencia de retención depende de la velocidad de caída de las partículas que constituyen el

sedimento, y del caudal que fluye a través del embalse.

Aun cuando la eficiencia de retención de un embalse disminuye con el almacenamiento progresivo, no es

práctico calcular la eficiencia para periodos menores de 10 años ya que las variaciones anuales en los

aportes de sedimentos pueden producir distorsiones en el análisis cuando se usan periodos muy cortos.

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS.

Material de lecho: Es la mezcla de materiales que componen el lecho de La corriente.

Transporte o carga del material de lecho: Es la parte del transporte total de sedimentos compuesto por

tamaños de granos existentes en el material del lecho de la Corriente.

Material fino: Es el material transportado por la corriente, principalmente en suspensión, compuesto por

tamaños de granos más pequeños que aquellos que componen él material de lecho.

Transporte de material fino o carga lavada: Es la parte del transporte total de sedimento compuesto de granos

menores a los encontrados en el material de lecho de la corriente. En su mayor parte proviene de la Hoya

hidrográfica.

Sedimento de fondo: Es el que se mueve por saltacion, rodamiento, y Deslizamiento sobre o cerca al lecho de

la corriente. Proviene del material de lecho.

Sedimento suspendido: Es el que permanece en suspensión en la corriente por intervalos apreciables de

tiempo, Por efecto de la turbulencia del flujo. El sedimento en suspensión se compone de Material fino y

material de lecho en suspensión.

Zona no muestreada: Es la distancia desde el lecho de la corriente hasta el punto mas bajo a que puede

llegar la boquilla de un muestreador de sedimento suspendido.

Denudación: Desgaste progresivo de la superficie de la tierra como resultado de varios procesos naturales,

tales como la meteorizacion, erosión, movimientos masivos y acarreo.

Tasa de denudación: Es la tasa promedio de desgaste de la superficie de la hoya, considerada uniforme en el

área, expresada como milímetros de roca por año.

Erosión: La erosión es el desgaste y remoción de tierra y roca por un proceso natural especifico, tal como el

flujo de una corriente.

Tasa de erosión: Es la tasa promedia de remoción de tierra y roca del terreno por causa de algún proceso

natural especifico expresada en metros cúbicos por día o año o en milímetros por año (suponiendo una

distribución uniforme sobre la hoya). La erosión puede ser geológica o normal, o sea la que a sufrido el

terreno durante intervalos de tiempo a escala geológica por los procesos naturales.

PROBLEMAS OCASIONADOS POR LOS SEDIMENTOS

Los sedimentos tienen una gran influencia sobre la factibilidad técnica y económica y sobre la operación de

proyectos de recursos hídricos y estructuras hidráulicas. La evaluación precisa de esta influencia se hace

difícil porque normalmente existen limitaciones significativas en la información básica

disponible. De hecho, los sedimentos influyen sobre los embalses en varias formas como se indica a

continuación

a) Depositación de sólidos en los embalses con la consiguiente disminución del volumen útil y obstrucción

de tomas, estaciones de bombeo, descargas de fondo, etc. Este es el aspecto mas conocido de la

acción de los sedimentos en relación con los embalses, que puede resultar muy significativo desde el

punto de vista económico, especialmente cuando la operación del proyecto depende en gran medida de

la regulación provista por el embalse.

b) Calidad de agua que entra a las torres de toma en cuanto a la concentración y tipos de sedimentos que

contiene, lo cual influye sobre la operación de las plantas de tratamiento, desgaste de las

conducciones y estructuras y abrasión de la maquinaria hidráulica.

c) Degradación en el curso del río y sus tributarios aguas arriba del embalse con los consiguientes efectos

en las tierras, vías, puentes, viviendas y estructuras adyacentes y mayores costos requeridos para los

diques.

d) Degradación en el cauce del río debajo de la presa por efecto de la descarga de agua con mayor

capacidad de arrastre de sólidos, lo que puede ocasionar problemas en la operación de la central

hidroeléctrica si es de pie de presa en las vías, tierras y estructuras aguas abajo.

e) Impacto ambiental causado por los sedimentos acumulados en el embalse.

Para la evaluación adecuada de los efectos descritos, se requiere contar con estimativos suficientemente

precisos del tipo, magnitud y variación del transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al

embalse. Además, esto es necesario para planear las medidas de control de erosión en la cuenca del

embalse y para anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la producción de sedimentos.

Los problemas ocasionados por los sedimentos pueden llegar a tener influencia significativa sobre la

factibilidad económica de un proyecto de aprovechamiento hídrico, lo que significa que en tales casos críticos

seria necesario estimar la magnitud del transporte con gran precisión. Sin embargo, tanto en estos casos

críticos como en la generalidad de los proyectos, es frecuente que la información básica sobre el transporte

de sólidos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y duración. El caso general ha sido

que cuando va a efectuarse el estudio de factibilidad para un proyecto, no se cuenta con datos de transporte

de sedimentos en el sitio de interés y para efectos del estudio, la información disponible es la que se obtiene

durante el curso del mismo, normalmente un intervalo de uno a dos años. Esta situación no es exclusiva de

Colombia u otros países en vía de desarrollo sino también de muchas presas en países desarrollados.

Esto indica la dificultad que se tiene para definir la factibilidad de un proyecto, cuando depende

fundamentalmente de la apreciación correcta del acarreo de sedimentos al embalse. En otros proyectos el

transporte de sedimentos no es el aspecto mas crítico para evaluar su viabilidad, sin embargo, son

contenciales los desarrollos de recursos hídricos cuyos beneficios potenciales y operabilidad no sean

afectados por el transporte de sedimento.

CASOS TIPICOS

Las consideraciones anteriores, de índole general, obviamente son aplicables a nuestro país, pero además

con algunos factores específicos que complican aun más los procesos de producción y transporte de

sedimentos. Estos factores son los siguientes:

a. Meteorología: En el país hay extensas regiones bastante lluviosas si se comparan con otras zonas del

mundo. Además, las precipitaciones normalmente ocurren con fuertes intensidades al comienzo de la

tormenta y son frecuentes las sucesiones de aguaceros fuertes a intervalos cortos durante las estaciones

lluviosas. La precipitación excesiva es un elemento básico en los procesos erosivos que ocurren en las

cuencas hidrográficas.

b. Topografía: El país tiene una porción significativa de su zona montañosa con preponderancia de

desfiladeros, angostos valles, cañones y altas montañas en vez de extensas mesetas. Esta

característica, combinada con las precipitaciones intensas, contribuye a la generación de crecientes

rápidas con altas descargas.

c. Geología: La zona Andina del país es relativamente joven desde el punto de vista geológico histórico

con la consiguiente inestabilidad de los taludes y cañones de los ríos y quebradas. Esta misma

inestabilidad estimula la formación de grandes depósitos coluvies y aluviales recientes, poco

consolidados, que a su vez constituyen importantes fuentes de sedimentos.

d. Suelos: Las condiciones meteorológicas de lluvias intensas combinadas con las temperaturas altas y

uniformes, típicas de la zona ecuatorial y las clases de rocas en extensas zonas de suelos

residuales en dichas zonas. Estos gruesos horizontes de suelos residuales, normalmente poco

cohesivos, constituyen una significativa fuente de erosión, especialmente sí se desestabilizan por las

construcciones o la deforestación.

e. Bosques: El país ha sido sometido a una intensa y antitécnica deforestación con lo que se ha

incrementado la acción de la erosión; gran parte de las tierras deforestadas, incluyendo algunas muy

pendientes, se han dedicado a cultivos que requieren mantener limpio el terreno o a un intenso

pastoreo, lo que favorece aun más la erosión laminar.

Por otra parte, las actividades de medida, recolección de muestras y mantenimiento de registros de

transporte de sedimento hay sido muy limitada excepto en algunos ríos y durante los últimos 10 años. Con

pocas excepciones, los registros se han obtenido en el curso de los estudios de factibilidad de presas y

únicamente en los sitios de interés. Sin embargo, se han efectuado algunos estudios de tipo general que

abarcan toda o parte substancial de la hoya de un río importante.

Todos estos aspectos, o sea las dificultades inherentes a los estudios de sedimentos, las condiciones

especificas del país en lo relativo a la erosión y al acarreo de sólidos por las corrientes de agua y la falta

de registros largos y confiables de su transporte, han limitado el alcance de los estimativos de transporte de

sedimento para la mayor parte de las presas construidas anteriormente en Colombia, por lo

que en algunas de ellas se han presentado serias dificultades por esta causa.

CARACTERISTICAS DEL SEDIMENTO QUE LLEGA AL EMBALSE:

- La distribución granulométrica es importante porque permite asignar un valor de la eficiencia de atrape

del embalse, predecir la distribución

Espacial de sedimentos depositados y predecir el espacio requerido. Para la acumulación de

material sólido en un tiempo determinado.

- La erosión laminar produce sedimento granular fino, la erosión del canal aporta sedimento granular fino y

grueso por las altas velocidades del flujo concentrada que mantiene una fuerza trataba mayor,

mientras que la erosión eólica produce sedimento limitado o partículas menores de 0.5mm de diámetro. En

el transporte desde el sitio de su producción hasta el embalse, el sedimento esta sujeto procesos de

abrasión y selección hidráulica.

- Otra característica muy importante de determinar es la relación vol.- peso del deposito, el peso especifica

varia con la consolidación, otro factor que afecta el peso especifico es la operación del embalse porque los

depósitos de sedimento granular fino sujetos al aire desarrollan pesos unitarios más altos que los

depósitos constantemente sumergidos.

TIPOS DE SEDIMENTACION

a) Sedimentación de partículas discretas.

Las partículas presentes en suspensiones diluidas ( de baja concentración de sólidos) sedimentan en

forma tal que las interacciones entre las partículas son consideradas despreciables.

El análisis matemático de este tipo de sedimentación se realiza desacuerdo las leyes de la mecánica de

fluidos de newton y estofes.

b) Sedimentación de partículas floculadas.

En este tipo de sedimentación se considera que las partículas presentes en la

solución sedimentan interactuando con las partículas adyacentes, es decir, las partículas que

sedimentan con mayor velocidad chocan con las de menor velocidad, formándose una partícula nueva de

mayor

Tamaño y que sedimenta a mayor velocidad que las partículas originales.

El análisis matemático de este tipo de sedimentación es mucho más complejo que el del tipo anterior.

DISTRIBUCIÓN DE SEDIMENTOS EN EMBALSES

La depositación depende de varios factores como la naturaleza del sedimento, las relaciones de entrada y

salida del agua, la forma del embalse y su operación.

El movimiento de sedimentos en un embalse esta gobernado por 2 fuerzas dinámicas. 1) Una componente

en la dirección del flujo debida al movimiento del agua , 2) una componente vertical debida a la gravedad y

a la turbulencia del agua .

Hasta hace algún tiempo se creía que el sedimento siempre se depositaba en las partes mas profundas del

embalse .sin embargo esto no es así , se deposita en dos formas características.

a) barras en forma de delta :

Se encuentran en las cabeceras del embalse compuestas de gravas y arenas con algo de

limos, pertenecientes a la carga de fondo. La formación de los depósitos en delta tiene como consecuencia

una elevación de la curva de remanso en las cabeceras. Esta degradación produce problemas como aguas

estancadas , saturación de la tierra , aumento de concentración de sedimentos.

Usando las formulas de transporte se puede establecer la pendiente en la cual no hay transporte, para que

comience así la formación del delta . La pendiente del delta es aproximadamente 6.5 veces la pendiente de

aguas arriba.

b) Depositación de sedimentos en suspensión

Se extiende en todo el embalse sin tener aparentes concentraciones.

en casos donde la pendiente del fondo esta disponible, se forman corrientes de densidad que llevan el

material fino a mayor profundidad

En el embalse si la pendiente es mas pronunciada pude llegar hasta la presa. En algunas áreas se pueden

formar depósitos masivos de material fino que se mueva dentro del embalse por gravedad y se han

notado con altos los de arcillas.

El canal se derivara en una parte de localizaciones en las cabeceras del embalse por una serie de

separaciones que ocurren cuando el fondo es agradado a un nivel mas alto que las áreas adyacentes , lo

que aumenta el ancho de los depósitos.

METODOS DE PREDICCION DE LA DISTRIBUCIÓN DE SEDIMENTOS

Los métodos se basan en que el volumen de sedimentos que se han acumulado en un embalse se calcula

restando la capacidad medida de la capacidad original , generalmente a una elevación igual a la

superficie normal del agua.

Para determinar el volumen que el sedimento ocupa en un embalse, es necesario conocer su peso específico.

El peso especifico de un deposito de sedimento se define como el peso del material sedimentario seco por

unidad de volumen. Por existencia de vacío entre los granos, el peso especifico de un deposito de sedimento

es siempre menor que el de las partículas que lo componen.

Los factores que determinan el peso especifico de una deposición son la composición mecánica del

sedimento, el ambiente en el que se acumulan las deposiciones y el tiempo.

El ambiente en que se encuentra ubicado el sedimento tiene también mucha influencia sobre su peso

especifico; si el material queda ocasionalmente expuesto al aire y se seca, se acelera el proceso de

compactación. La exposición del sedimento depende del nivel de la superficie libre y éste a su vez es función

del modo de operación del embalse. Este efecto es más importante en la compactación de los limos y arcillas

que en las de gravas y arenas.

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

Dificultades para su estimación

El transporte de sedimentos por las corrientes esta controlado, por una parte por las características

hidráulicas y de los materiales del cauce del río y por otro lado, por las condiciones hidrometereologicas,

topográficas, de suelos, de vegetación y otras de la cuenca. Estos factores pueden resumirse en dos

funciones básicas inherentes a la hoya y al río, una de ellas esta relacionada con la cantidad de material

disponible para ser acarreado por las corrientes de agua y la obra indica la capacidad de transporte de tales

corrientes. Teóricamente estas funciones podrían expresarse, para un flujo y una sección determinados de un

río, como curvas relacionadas con el diámetro representativo de las partículas sólidas, tal como se muestra en

la figura. Las dos funciones tienen un punto común para un diámetro Ds, que separa la denominada carga

lavada o material fino, para diámetros inferiores a Ds, del transporte de material de lecho o carga gruesa, para

tamaños mayores. Esto significa que el transporte real de sedimento estará controlado por la función de

disponibilidad, o sea por las condiciones hidrometereologicas y físicas de la hoya tributaria, en el rango de la

carga fina y por la función de transporte , o sea las condiciones hidráulicas y de los materiales en el cauce del

río, para el rango de diámetros más gruesos que constituyen el material de lecho.

Teóricamente es posible calcular la capacidad de transporte de material de lecho por un río aplicando los

principios de la mecánica de fluidos. Esto no significa que el problema este completo y satisfactoriamente

resuelto, ya que existen vacíos importantes en aspectos tales como la definición del diámetro representativo

del material de lecho, el efecto de acorazamiento y protuberancia de las partículas mayores, las corrientes

secundarias, la influencia de los finos en suspensión, etc., de ahí que se cuenta con soluciones definitivas a

cuestiones tales como el rango de aplicabilidad y condiciones en que puede utilizarse un método dado y a la

definición de las variables que influyen sobre ciertas constantes empíricas que aparecen en las diferentes

formulas o procedimientos.

La dificultad para calcular la carga de lecho es aun mayor en los ríos de montaña, con flujo torrentoso y que a

veces transporta bloques de roca de varios metros cúbicos; en estos ríos las condiciones hidráulicas son

difíciles de definir y el material de lecho es muy grueso y heterogéneo.

la determinación teórica del transporte de material fino no es posible en la actualidad, ya que no depende

exclusivamente de los principios hidráulicos, sino de aspectos complejos, difícilmente cuantificables, tales

como la hidrometereologia, topografía, geología, suelos y vegetación de la cuenca. Pero además, en la

mayoría de los ríos de nuestro país, teniendo en cuenta las condiciones metereologicas y físicas, es

preponderante el transporte el transporte de material fino con respecto al total, lo que significa que no es muy

productivo concentrar los esfuerzos en la determinación del método mas preciso para calcular el transporte de

material de lecho, especialmente el que se mueve como sedimento de fondo, sino que se requiere efectuar un

extenso programa de mediciones de campo para conocer con suficiente grado de confianza la magnitud y

variación espacial y temporal de la carga fina.

Una alta proporción del transporte de sedimento fino se realiza durante las crecientes, que coinciden con

lluvias intensas sobre la cuenca, o durante eventos esporádicos y rápidos, como son los grandes

deslizamientos. Para obtener un buen registro del transporte de material fino es necesario intensificar las

mediciones de campo en periodos de invierno o después de la ocurrencia de deslizamiento u otros eventos

similares significativos, utilizando métodos y equipos adecuados para obtener muestras representativas y con

suficiente frecuencia.

Teniendo en cuenta las limitaciones en cuanto a la calidad y extensión espacial y temporal de los registros de

acarreo de material fino es fundamental considerar procedimientos alternativos a los métodos

convencionales para evaluar el transporte total de sedimentos. Entre los procedimientos alternativos vale la

pena mencionar al que se basa en los estudios geomorfológicos y de geología histórica de la cuenca como se

describe en mayor detalle mas adelante.

Medidas de campo

Ante la necesidad de contar con registros suficientemente largos y bien distribuidos en la cuenca del

transporte de material fino, es fundamental considerar las estaciones automáticas de registro continuo y los

muestreadores de sedimento para aguas altas. Esto es más importante si se tiene en cuenta la dificultad y el

costo de la ejecución de los aforos sólidos convencionales.

En cuanto a los muestreadores para aguas altas se ha utilizado con éxito en varios sitios del país el de botella

tipo I-25. Este muestreador se coloca en el sitio de interés y toma una muestra de sedimento en suspensión

cuando el nivel del agua llega a la boquilla del aparato.

Estos dos tipos de equipo únicamente toman una muestra puntual, instantánea y razonablemente

representativa del sedimento en suspensión. De ahí que las concentraciones medidas por los equipos

descritos deban correlacionarse con las concentraciones promedias de la corriente en la sección considerada,

determinadas mediante aforos de sólidos completos; además deben investigarse el punto mas adecuado para

instalación del muestreador o de la boquilla.

CONCLUSIONES

La evaluación del transporte de sedimentos constituye un aspecto fundamental de los estudios para proyectos

de presas por su influencia en la colocación de los embalses, la calidad del agua captada, los procesos de

agradacion aguas arriba del lago y degradación aguas debajo de la presa y el control de erosión en la cuenca.

En la mayoría de los ríos de Colombia el transporte de material fino es preponderante en relación con el total

y ocurre en mayor proporción durante las crecientes y periodos de aguas altas. De ahí la necesidad de

concentrar la mayor parte de las campañas de aforos durante los periodos de invierno y operar registradores

automáticos y que tomen muestras en crecientes y sitios de difícil atención.

Teniendo en cuenta las limitaciones en la duración y la calidad de los registros de sedimentos es fundamental

aplicar métodos alternativos para estimar el transporte de sólidos a largo plazo. En este sentido son muy

útiles los estudios de geomorfología y geología histórica y las observaciones de colmatacion en embalses ya

construidos.

Es fundamental hacer conocer oportunamente los registros sobre magnitud y distribución de los sedimentos

acumulados en embalses existentes.