ARRASTRE DE SEDIMENTOS Hidráulica Aplicada
Escuela de Ingeniería en Construcción. Curso: Hidráulica. Docente: Juan Alberto González. Autores: Entrega: 09 – Diciembre – 2011
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Preámbulo Generalidades Formas de Transporte Clasificación del Transporte Propiedades de los Sedimentos Medidas de Concentración Problemas de los Sedimentos Conclusiones
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PREÁMBULO La Ingeniería como concepto y palabra es tan antigua como la propia existencia del hombre en la Tierra. Desde los inicios el humano debió enfrentarse a muchos acontecimientos y cambios naturales, lo que lo condujo a generar ideas y a razonar para poder enfrentar los diversos problemas de la manera más óptima y adecuada. A este razonamiento lo reconocemos como ingenio. La gracia de la ingeniería como reflejo del ingenio, recae en la capacidad de poder aplicar los conocimientos científicos a hechos concretos, como el perfeccionamiento, la invención o la utilización de la técnica industrial en todas sus dimensiones. De lo anterior podemos concluir que el hombre ha poseído la mejor herramienta para alcanzar la solución a los problemas, el ingenio, aplicable frente a diversas circunstancias, como los problemas que la naturaleza nos entrega, sobre todo los problemas que el agua y sus derivados pueden detonar. Es por esto que existe una rama de la ingeniería que se concentra netamente en estudiar las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y empuje de la misma. La descripción anterior, es conceptualizada con el nombre de Hidráulica, dentro de la que se tendrán muchos estudios, uno de ellos es el estudio del flujo de agua en un canal con lecho móvil, lo cual representará un problema de interfaz. Por una parte, el flujo se ajusta al contorno móvil, mientras que por otro parte, el material granular del contorno sobre el cual escurre el agua, se deforma y cambia sus fronteras. De esta forma, se genera un proceso de retroalimentación en el flujo y el contorno, los que se adaptan continuamente a los cambios inducidos entre ellos. La interacción directa entre el fluido y las partículas sólidas es compleja e involucra aspectos de la mecánica de fluidos que aun no son bien comprendidos. En particular, la estructura de la turbulencia del flujo, la cual juega un papel preponderante en cualquier proceso de transporte que ocurra en ambientes acuáticos, influencia el intercambio del material granular entre el flujo, el lecho y también el movimiento de éste al interior de la capa límite, al mismo tiempo que es modulada por el contorno y también por la presencia de las partículas sólidas en el flujo. Estos procesos se comprenden sólo parcialmente y son materia de investigación en la actualidad. A continuación analizaremos en forma detallada todo lo que contempla el arrastramiento de sedimentos, las propiedades de los sedimentos, formas de transporte en una corriente, clasificaciones, medidas de concentración de 3
sedimentos y problemas concretos en que se ve involucrado.
GENERALIDADES DEL ARRASTRE DE SEDIMENTOS Los sedimentos que transporta una corriente de agua son consecuencia natural de la degradación del suelo, puesto que el material procedente de la erosión llega a las corrientes a través de tributarios menores, debido a la capacidad que tiene la corriente de agua para transportar sólidos; también lo puede hacer mediante movimientos en masa, es decir: desprendimientos, deslizamientos y otros eventos similares. En un punto cualquiera del río, el material que viene de aguas arriba puede seguir siendo arrastrado por la corriente y cuando no hay suficiente capacidad de transporte este se acumula dando lugar a los llamados depósitos de sedimentos. Las corrientes fluviales forman y ajustan sus propios cauces, la carga de sedimentos a transportar y la capacidad de transporte tienden a alcanzar un equilibrio. Cuando un tramo del río consigue el equilibrio, se considera que ha obtenido su perfil de equilibrio, sin embargo, puede ser aceptable que existan tramos o sectores de un río que hayan alcanzado su equilibrio, aunque estén separados por tramos que no tengan este equilibrio. EI transporte de sedimentos está ligado con la hidrodinámica de los canales abiertos. La introducción de partículas dentro del flujo altera el comportamiento hidráulico. Se puede decir que los sedimentos que forman el lecho pueden adoptar muchas formas entre las que se pueden mencionar las dunas, las rizaduras o superficies planas, esto depende del proceso de transporte. Cuando el esfuerzo de arranque que el agua ejerce sobre el lecho constituido por sedimentos es suficientemente fuerte para remover una capa de partículas, estas no se desprenden indefinidamente sino que pueden adquirir un estado de equilibrio después de ponerse en movimiento algunas capas anteriores. Según R. A. Bagnold, las partículas transportadas añaden una fuerza nueva, normal al lecho, que mantiene las partículas del lecho expuestas contra la tracción que se ejerce por la mezcla de agua y sedimentos. El estudio de los tipos de fondo es importante por su papel en la rugosidad del lecho, transporte de sedimentos, parámetros de flujo, socavación y sedimentación. Por último, es de suma importancia a la hora de analizar los sedimentos, considerar los tipos de lechos que puedan existir, entre los posibles destacan:
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Se caracterizan principalmente por la poca resistencia al flujo, de aquí el poco transporte de sedimentos. Es propio de lechos que soportan poco caudal. Lechos Rizados: Están caracterizados por ondulaciones que resaltan por encima del nivel del lecho, llamados rizos, los cuales son pequeñas formas con una pendiente alta, aguas abajo y suave en la parte aguas arriba, el espaciamiento y la geometría están dados al azar para un caso individual, pero son uniformes en sentido estadístico. Lechos Planos sin Transporte de Sedimentos:
Figura 1: Esquema Transporte de Sedimentos.
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FORMAS DE TRANSPORTE DEL SEDIMENTO EN UNA CORRIENTE El lecho de una corriente natural que transporta material, está compuesto por granos sueltos. Las corrientes transportan material en varias formas; siendo la más simple aquella en que las partículas se deslizan o ruedan. El rodamiento ocurre cuando las partículas están en continuo contacto con el lecho; es por esto, que no tienen una gran importancia. Si el lecho no es uniforme, las partículas generalmente no se mantienen en contacto continuo sino que saltan; la intensidad de los saltos aumenta con los cambios de velocidad de la corriente y la partícula es atrapada por la corriente ascendente; esto puede ser prolongado. Todos los tipos de movimiento que tienen las partículas se inician cuando las fuerzas de arrastre son mayores que las fuerzas estabilizantes; las fuerzas que tienden a mover o arrastrar los sedimentos son: la presión hidrodinámica, la sustentación y las fuerzas de viscosidad del flujo. Las fuerzas que ofrecen resistencia a la acción de movimiento están relacionadas con: el tamaño del grano y la distribución de los granos que existen en el fondo. Las fuerzas que resisten el movimiento para los sedimentos de mayor tamaño, tales como gravas y arenas, son las del peso de la partícula, mientras que para los finos son las fuerzas cohesivas. Las partículas gruesas tienen un movimiento en forma individual mientras que los finos tienen un movimiento en grupos. La iniciación del movimiento es un proceso eventual. Se rige entonces por la probabilidad de que una partícula se mueve bajo la influencia de las corrientes turbulentas, es por esto, que dar una definición exacta de movimiento sería imposible, por lo que en los procesos de arrastre no hay una condición crítica que genere un comienzo brusco, en el momento en que la condición crítica es alcanzada.
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CLASIFICACIÓN DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS De acuerdo con el mecanismo de transporte pueden ser distinguidas dos formas: •
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Movimiento de partículas en contacto con el lecho, las cuales ruedan, se deslizan o saltan. Carga en Suspensión: Movimiento de partículas en el agua. La tendencia de asentamiento de la partícula es continuamente compensada por la acción difusiva del campo de flujo turbulento. Carga de Lecho:
De acuerdo con el origen del material de transporte, se hace la siguiente distinción: •
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Este transporte tiene su origen en el lecho. Esto significa que el transporte es determinado por las condiciones del lecho y del caudal (puede consistir en carga de fondo y en carga de suspensión). Carga de Lavado: Transporte de partículas nulo o en muy pequeñas cantidades en el lecho del río. El material es suministrado por fuentes externas (erosión) y no depende directamente de las condiciones locales existentes (puede solamente ser transportado como carga en suspensión; generalmente material fino menor de 50 mm). Transporte de Material de Fondo:
PROPIEDADES DE LOS SEDIMENTOS 7
En el estudio de transporte de sólidos intervienen una serie de parámetros que caracterizan la interacción entre el fluido, el escurrimiento y los sedimentos. Entre estos se cuentan las propiedades físicas de los sedimentos. Existen diversas disciplinas que de una u otra forma se relacionan con los sedimentos y por lo mismo han debido estudiar sus propiedades físicas. Así por ejemplo la geología, cuyo interés principal se centra en torno a la naturaleza de los agentes que intervienen en los procesos geológicos, y el lugar de origen y época de depositación de los sedimentos, requiere de la cuantificación de estas propiedades; la mecánica de suelos que estudia las propiedades físicas de los sedimentos en la medida que determinan la resistencia de los suelos a solicitaciones mecánicas; y por último la hidráulica que analiza las propiedades físicas de los sólidos con finalidad de escribir el equilibrio de las partículas cometidas al a acción de los escurrimientos. Desde el punto de vista de las fuerzas que se oponen al movimiento de las partículas sólidas que induce la acción del escurrimiento, los sedimentos se clasifican en hidráulica, en sedimentos cohesivos y en sedimentos granulares o no-cohesivos. Estos últimos son los más frecuentes en cauces naturales y en ellos el peso de las partículas individuales constituye la fuerza principal que se opone al movimiento. Las características que definen los procesos de suspensión, transporte y depositación del sedimento dependen no sólo de las condiciones del flujo sino también de las propiedades del sedimento, como son: para los sedimentos nocohesivos: las principales propiedades físicas de estos sedimentos son el tamaño, la forma, el peso específico, la granulometría y la velocidad de caída en el agua, estas propiedades están relacionadas con las partículas individuales. Existen también propiedades relacionadas con un conjunto de partículas constitutivas de los materiales. Es el caso de los depósitos de sedimentos en los cuales interesa el peso volumétrico (global) y la relación de vacíos o porosidad. Las propiedades de los sedimentos más relevantes son descritas a continuación: •
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Tamaño: La propiedad más importante de una partícula de sedimento
es su tamaño, por lo cual, ha sido la única propiedad que caracteriza los sedimentos. Solamente si la forma, densidad y distribución granulométrica son semejantes en diferentes sistemas hidráulicos, se pudiese considerar que la variación de su tamaño define la variación del comportamiento del sedimento. Forma: Es una característica que determina el modo de movimiento de la partícula (grano de forma aplanada, en el lecho, difícilmente se
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mueve por rotación, pero sí se desplazan fácilmente o, eventualmente pueden saltar) Normalmente se define a través de la redondez, esfericidad y el factor de forma. Densidad: Es la relación entre la masa que posee una partícula y su volumen. La gravedad específica, g s, se define como la relación entre la densidad de la partícula sólida y la densidad del agua a 4 grados centígrados. La mayoría de los sedimentos de los ríos son cuarzos o feldespatos cuya gravedad específica es 2.65; sin embargo, g s varía desde 1.35 a 1.70 para la piedra pómez hasta 7.6 para la galena. Pesos Específico: Es la relación entre el peso de la partícula y su volumen. Es igual al producto de la densidad por la aceleración de la gravedad. Porosidad (n): Se define como la relación entre el volumen de vacíos y el volumen de granos o volumen de sedimentos. Velocidad de Caída (W): Es la velocidad límite que adquiere la partícula cuando cae en agua destilada, en reposo, de extensión infinita a una temperatura constante de 24 grados centígrados. Diámetro Tamizado: Se refiere a la abertura mínima de la malla por la cual pasa una partícula. Se determina mediante el tamizado de una muestra y definiendo una curva granulométrica. Diámetro de Sedimentos: Es el diámetro de una esfera equivalente de igual densidad y velocidad de caída que la partícula sólida, cayendo libremente en un líquido de extensión infinita que tiene la misma temperatura que el líquido dentro del cual cae la partícula en cuestión. Se determina midiendo la velocidad de caída de la partícula en el líquido e igualando dicha velocidad a la de la esfera de igual densidad que cae en el mismo líquido, a la misma temperatura. Es un tamaño variable que depende del líquido y de la temperatura de este. Una misma partícula sólida puede tener varios diámetros de sedimentación, dependiendo del tipo de líquido y su temperatura. Diámetro de Sedimentación Estándar: Es el diámetro de sedimentación correspondiente al agua destilada a 24°C. Esta medida fue establecida para permitir una normalización de la velocidad de sedimentación en orden a independizarla del líquido y la temperatura. Diámetro Nominal: Es el diámetro de una esfera que tiene el mismo volumen que la partícula sólida. Dimensiones Triaxiales: Dadas las variadas formas de las partículas, a veces se utiliza tres dimensiones lineales en la dirección de tres ejes mutuamente perpendiculares para caracterizar el tamaño de las partículas; a la dimensión máxima se le denomina “a”, a la intermedia “b” y a la menor “c”, como se muestra en la figura 1.
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Figura 2: Definición de las Dimensiones Triaxiales.
* Definición de las dimensiones triaxiales: Cuando se trata de partículas grandes medianas, el tamaño se define de las dimensiones triaxiales individuales o de su promedio. El diámetro de tamizado se utiliza comúnmente para arenas y gravas, y el diámetro de sedimentación se utiliza para las partículas más finas del tipo limos y arcillas cuyos diámetros son inferiores a 0,1mm. * Clasificación de los sedimentos según el tamaño: Existen numerosas clasificaciones de los sedimentos de acuerdo a su tamaño. En hidráulica, se ha adoptado en general la clasificación de la American Geophysical Union de los EE.UU. (AGU). Esta clasificación se incluye en la Tabla 2.1 en conjunto con el rango de diámetros y número de malla de cada intervalo. La clasificación sigue una progresión geométrica de 2, lo que facilita su utilización. Las mallas siguen en general una progresión de 4√2, pero en la tabla se ha incluido sólo las correspondientes a los diámetros de la clasificación AGU. La clasificación de la AGU presenta una frontera natural para los finos (arcillas y limos) y arenas. En efecto se ha observado experimentalmente el tamaño de una partícula natural que sigue la Ley de Stokes. En los ríos los diámetros menores que este tamaño se encuentran en muy pequeña proporción en el lecho y constituyen parte del llamado “sedimento de lavado de la cuenca” (washload). En las Tablas 2.2 y 2.3 se ha incluido además las clasificaciones del United States Soil Conservation Service (Clasificación USCS) y la de American Society of Testing Material (ASTM) que conviene también conocer, en especial la última que se utiliza con frecuencia en otros campos de la ingeniería civil.
CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS DE ACUERDO A LA AGU Diámetro Denominación Nº Malla Abertura
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(m) 4-2 2-1 1 - 0,5 (cm) 50 - 25 25 - 13 (mm) 130 -64 64 - 32 32 - 16 16 - 8 8-4 4-2 2-1 1 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0,125 0,125 - 0,062 (u) 62 - 31 31 - 16 18 - 8 8 -4 4-2 2-1 1 - 0,5 0,5 - 0,25
Rocas muy grandes Rocas grandes Rocas medianas Rocas pequeñas Bolón grande Bolón pequeño Grava o ripio muy grueso Grava gruesa Grava mediana Grava fina Grava muy fina Arena muy gruesa Arena gruesa Arena mediana Arena fina Arena muy fina Limo grueso Limo medio Limo fino Limo muy fino Arcilla gruesa Arcilla media Arcilla fina Arcilla muy fina
2 1/2 1 1/4 1 5/8 1 5/16 5 8 10 18 35 60 120 200 230
64 32 16 8 4 2,38 2 1 0,5 0,25 0,125 0,074 0,063
Tabla 1: Clasificación de Sedimentos Según AGU.
CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS DE ACUERDO A LA USCS Diámetro Denominación (cm) 2-8 Ripio grueso 0,5 - 2 Ripio fino (mm) 20 - 5 Arena gruesa 0,4 - 2 Arena mediana 0,05 - 0,4 Arena fina (u) 5 - 50 Limos <5 Arcillas
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Tabla 2: Clasificación de Sedimentos Según USCS.
CLASIFICACIÓN DE LOS SEDIMENTOS DE ACUERDO A LA ASTM Diámetro Denominación (mm) 0,25 - 2 Arena gruesa 0,05 - 0,25 Arena mediana (u) 5 - 50 Limos <5 Arcillas
Tabla 3: Clasificación de Sedimentos Según ASTM.
MEDIDAS DE CONCENTRACIÓN DE SEDIMENTOS Estos muestreadores deben tener formas aerodinámicas para causar el mínimo disturbio a la corriente. Deben retener una muestra que, posteriormente, secada en un calcinador del peso del sedimento retenido. Una vez conocida el volumen de la muestra, se calcula la concentración, por ejemplo en gramos por litro. Muestreadores utilizados son el US P—61 y el US Dh-59. Muestreadores de sedimentos en suspensión:
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Figura 3: Ilustración Muestradores.
Según Linsley, no hay ningún muestreador de sedimento de lecho enteramente satisfactorio. Existe un muestreador que opera por diferencia de presiones. En ese muestreador la entrada de agua consiste inicialmente en un estrechamiento con subsiguiente expansión que causa una disminución de presión y, posteriormente, disminución de velocidad lo cual facilita la retención del sedimento. Muestreadores de sedimento depositado en el lecho de los ríos:
Medida de la carga total de sedimento por eliminación del sedimento del lecho: Cuando el sedimento transportado en el lecho y en
suspensión sea relativamente fino, un vertedero que cause bastante turbulencia puede ser usado para elevar toda la carga de sedimento del lecho en la corriente. Se mide, entonces, la concentración del sedimento en suspensión aguas arriba y aguas abajo del vertedero. La diferencia, será la medida de la cantidad de sedimento del lecho. Este método es aplicable principalmente a corrientes pequeñas de agua.
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PROBLEMAS DE LA SEDIMENTACIÓN 1.-Sedimentación en Embalses.
Los problemas ocasionados por los sedimentos son especialmente difíciles en el mundo a 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 el mundo 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 sedimentológica 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.
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Figura 4
* 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. Aún 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.
* Cómo Controlarlo: La solución que elaboró la empresa Dragatec Chile es la aplicación de trabajos de dragado en los embalses. Una de las ventajas del dragado es que se puede realizar el trabajo mientras que el embalse esté con agua y no influye en el funcionamiento de las centrales ni en el suministro de agua. Además es una forma más económica de extraer el material, pues se utiliza una sola maquina para extraer y transportar los sedimentos. Con el dragado es posible dragar todas las zonas afectadas por la colmatación y así recuperar la capacidad original de almacenaje de agua de la 16
represa. En ciertos casos también es posible aumentar la capacidad, profundizando la represa más allá de la colmatación.
Figura 5
2.-Reducción
de la Profundidad de Canales.
La acumulación de sedimentos puede hacer que los canales disminuyan su profundidad y aumente su ancho. Ya que el caudal siempre va ser el mismo. Esto puede provocar inundaciones.
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Figura 6
3.- Deterioro
de la Calidad del Agua.
Aunque la agricultura contribuye en muchas formas a deteriorar la calidad del agua, la sedimentación y erosión antropogénica es un problema mundial que suele estar especialmente asociado a la agricultura. Si bien no hay cifras mundiales, es probable que la agricultura, en sentido amplio, sea la causante de gran parte del aporte mundial de sedimentos a los ríos, lagos, estuarios y, finalmente, a los océanos mundiales. Por tanto puede tener alteraciones y muerte de la vida acuática.
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CONCLUSIONES
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