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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
Erosión en riberas de ríos en zonas con curvatura. Hidráulica Teórica.
Profesor
: Patricio Catalán
Alumnos
: Gino Rivano Nicolás Carreño Oscar Viera
Valparaíso, lunes 5 de julio del 2010. 0
Índice
I.- Introducción.
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II.- Objetivos.
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III.- Agentes que causan la erosión en zonas curvas.
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III.I.- Transporte de sedimentos.
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III.II.- Corrientes Secundarias y Gradientes de Presión Ortogonales a la dirección principal del flujo.
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IV.- Implicancia de la erosión en obras de ingeniería.
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V.- Conclusiones.
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VI.- Bibliografía.
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I.- Introducción. Existen muchos fenómenos asociados al movimiento de los ríos. Para entenderlos se debe tener claro, en primera instancia, por qué los ríos presentan aquella forma física tan particular. La geografía de la tierra influye considerablemente, ya que, en base a esta, el río forma su camino. Un río se mueve en llanuras guiándose por una pendiente central, y afectado por las pendientes laterales, lo que provoca una serie de sinusoides en torno a un eje que cambia constantemente, siempre avanzando río abajo (hacia un punto de menor altura) ya que el movimiento es provocado por efecto de la gravedad. Además de los factores anteriores se debe tener en cuenta que cada obstáculo que se le presente al río en su camino condicionará su movimiento, avanzando siempre por el lugar que le implique un menor gasto de energía. Las curvas de las sinusoides mencionadas anteriormente se denominan “meandros” y cada uno de ellos está formado por dos lados relevantes, uno cóncavo y otro convexo. Para mayor entendimiento es mejor identificar estos lados como orilla interna o externa del río, siendo la interna la de menor radio respecto al centro de la curva del meandro. Asociado a la presencia de meandros encontramos dos fenómenos, erosión y sedimentación. Los cuales condicionan las orillas de los ríos haciéndolas cambiar constantemente. Por un lado la erosión puede provocar disminución de la ribera y aumento de la profundidad del río, así como la sedimentación puede tener un efecto totalmente contrario. Ambos fenómenos y en especial el de erosión, se profundizarán más adelante. Pero como primer acercamiento, se definirá erosión como: “La erosión es el arrastre de partículas constituyentes del suelo por la acción del agua en movimiento o la por la acción del viento.” (http://edafologia.fcien.edu.uy/)
II.-Objetivos. En el siguiente informe se pretende investigar el porqué de la erosión en riberas en zonas con curvatura, y cómo ésta es mayor que en las secciones rectas de los ríos. Se sabe que son varios factores que en conjunto producen la erosión, por lo que se presentarán los que se consideran más importantes. Además se pretende explicar, a grandes rasgos, de qué manera ésta puede afectar a obras de ingeniería ubicadas en las riberas y que soluciones existen. Para poder hacer lo mencionado anteriormente se analizarán dos grandes factores o agentes que causan la erosión en ríos. El primero de estos es el 2
transporte de sedimentos, el cual puede ser natural o por contaminación. Otro agente que se considera importante es la existencia de corrientes secundarias, la cual está estrechamente ligado con el hecho de la existencia de gradientes de presión ortogonales a la dirección principal del flujo, ambos son un tema que también afecta a la erosión. III.- Agentes que causan erosión. Como fue mencionado anteriormente, son varios factores los que se entrelazan y producen, finalmente, la erosión en zonas curvas. A continuación se explicarán estos factores. III.I.- Transporte de sedimentos. Tal como fue mencionado anteriormente, el transporte de sedimentos y la sedimentación es un tema bastante importante en cuanto a la erosión en zonas curvas. Para poder empezar a entender éste fenómeno es conveniente explicar cuál es el proceso de la sedimentación. Éste proceso se caracteriza por el transporte de partículas en suspensión en un fluido, normalmente agua o aire, que se adhiere, o sedimenta, ya sea a una pared o al fondo del cauce del río. Todo fluido, dependiendo de su caudal, velocidad, forma de la sección y aceleración tiene la capacidad de transportar sólidos en suspensión. El cambio de una de las características mencionadas anteriormente puede hacer que el material transportado sedimente o provoque erosión en un sector. Ahora, con respecto a los ríos, los sedimentos fluviales dependen tanto de fenómenos naturales como de la intervención del hombre. Algunos de estos son: régimen de precipitaciones, morfología, uso de la tierra y actividad sismo tectónica, entre otros. La sedimentación fluvial, bajo condiciones naturales, es un proceso irreversible. Otra característica de la sedimentación fluvial es que ésta va depositando los materiales en suspensión de mayor a menor tamaño. Otro factor importante, antes de poder explicar el fenómeno en curvas, es la morfología de los ríos. Según ésta se pueden categorizar en tres distintas clases, los ríos rectos, los trenzados y los meándricos. Para el tema del análisis se considerarán estos últimos, ya que son donde se presentan mayores curvas. Esto se explica debido a su sinuosidad. La sinuosidad es el índice que representa cuando el trazado de un río se aparta de una línea recta. Tras haber explicado el proceso de la sedimentación, las características de la sedimentación fluvial, y la característica del tipo de río del cual es útil estudiar la erosión, se pretende explicar cómo este fenómeno afecta de 3
manera particular a las riberas en zonas curvas de los ríos. Para poder explicar mejor el fenómeno, se adjunta la siguiente imagen: Como se observa en la imagen, hay dos zonas, la zona llamada “Punto Bar” y la zona “Pool” o “Cut Bank”. La zona “Punto Bar” es donde se espera mayor sedimentación, esto debido a que las partículas en suspensión llegan a éste punto con menor velocidad. Mientras que en la zona “Pool” o “Cut Bank” se espera una mayor erosión, debido a que las partículas vienen con una mayor velocidad e impactan con el borde más lejano soltando más partículas, o sea, erosionando. Podemos tomar el caso particular mencionado en la propuesta de este informe, el caso del agua con partículas de mercurio en suspensión. El mercurio, al ser un metal pesado, producía que las partículas en suspensión adquirieran una mayor velocidad y peso, lo que al impactar en la ribera, considerando que es una zona selvática, erosionaba fuertemente el borde con mayor radio de curvatura. Además, produjo una gran sedimentación en el borde con menor radio de curvatura, lo que causó que hubiese una erosión incluso mayor. III.II.- Corrientes Secundarias y Gradientes de Presión Ortogonales a la dirección principal del flujo. Tan pronto como la corriente entra en una curva (meandro) se mueve en un patrón helicoidal. Éste se explica como una transferencia de momento desde el interior de la curva hacia el exterior. Por efecto del gradiente de presión (presión disminuye a medida que nos acercamos al centro de curvatura) se generan fuerzas centrípetas, las que producen una considerable elevación de la superficie del agua contra la orilla externa o cóncava, moviendo la superficie del agua transversalmente. Esta agua se mueve hacia abajo para reemplazar el agua del subsuelo que a su vez es empujada de vuelta al final de la curva. El resultado es el flujo helicoidal. Cabe destacar que mientras mayor es la curvatura, mayor es el momento angular y más fuertes son las corrientes cruzadas. El flujo helicoidal es el principal responsable de la erosión, socavación y sedimentación en curvas. Erosiona en la parte externa donde posee mayor 4
velocidad, socavando el fondo cercano a la misma orilla. A medida que pierde velocidad deposita los sedimentos en la parte interna del río donde genera formaciones conocidas como “barras semilunares” o “Point bar” producto de la acumulación de sedimentos.
IV.- Implicancia de la erosión en obras de ingeniería. No se puede pasar por alto los importantísimos efectos que causa este fenómeno erosivo en las distintas obras civiles. Esta cobra gran importancia práctica en su acción sobre objetos constructivos como carreteras y puentes, destacando el proceso de erosión hídrica en la estructura de cimentación de los puentes, pues bien es sabido que una de las causas más comunes de fallos de puentes es la erosión de pilas y estribos. En cuanto a estructuras situadas en medio de las corrientes de agua (pilas), donde la corriente al rodear la estructura acelera de manera que el gradiente de velocidad vertical del flujo se transforma en un gradiente de presión donde impacta directamente con la estructura, provocándose una corriente vertical que impacta en la base de la pila chocando y erosionando el sedimento del lecho formándose un vórtice que arrastra el material del lecho alrededor y aguas abajo de la estructura. A este vórtice se le denomina Vórtice de herradura (nombre otorgado debido a la forma que adquiere cuando se observa desde arriba, ver figura de abajo).
Estos vórtices poseen una gran capacidad de “aspiración” (en sedimentos), acompañado con un incremento local de la tensión cortante en el lecho (al lado de la estructura) generan un foso en la pila, la cual se puede apreciar en la fotografía adjunta. Por tal este vórtice es considerado como principal causa de erosión en estas estructuras. 5
Misma situación ocurre en los estribos, como es posible observar en la figura que se muestra arriba de este párrafo. Cabe destacar que siempre está latente la necesidad de reducir estructuras en cuanto a su largo, por un tema de costos, esto ha conducido a un mayor desarrollo y utilización de terraplenes que invaden el curso fluvial y como consecuencias producen alteraciones en el flujo que inciden en la erosión de tales elementos. V.- Conclusión. Después de analizar el proyecto y haber investigado sobre éste, se puede concluir que la erosión es un tema bastante importante y que es imprescindible considerarlo al momento de diseñar una obra cerca de un río, y sobre todo en una zona curva de él. Los ríos con sus procesos de erosión y sedimentación van provocando cambios en el relieve de manera constante e irreversible. Es de suma importancia mantener cierto registro de dichos cambios para así anteponerse a posibles problemas que pudieran afectar cualquier edificación. Se explicó el por qué hay mayor erosión en curvas que en zonas rectas. Amplificado considerablemente por el tipo de sedimento que arrastra el caudal. Por lo que es relevante mantener los ríos en sectores edificados lo más limpios posibles, para enlentecer el proceso erosivo y hacer factible la construcción de alguna obra civil que por alguna razón deba ubicarse en un sitio tan expuesto a complicaciones, como el mencionado anteriormente. Considerando esto, se debe ser estricto con las políticas de impacto ambiental implementadas, en cuanto a desechos de cualquier tipo que sean arrojados a ríos. Como ya se explicó anteriormente, el proceso de erosión es imposible de detener, pero si existen formas de contener su avance para que su efecto se menos dañino. Como por ejemplo: el uso de geo-bolsas en las riberas de los ríos y la extracción de los sedimentos que se encuentran en los “puntos bar”. Estas soluciones fueron utilizadas en el ejemplo dado anteriormente en la problemática con el mercurio, de donde se originó el tema de éste informe. 6
VI.- Bibliografía. • • • •
http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/guatemala21/10sedigua.pdf http://edafologia.fcien.edu.uy/ http://www.xdocs.com/doc/8462498/Erosion-en-Corrientes-de-Agua http://www.wikipedia.com Cut Bank Meander Meandros Secondary Flow Sinuosidad Ríos http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Bernoulli's_principle o o o o o o
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