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1.10.4 Materiales empleados en modelos fluviales.
Hidráulica fluvial. Conceptos generales sobre morfología, dinámica y el transporte de sedimentos en ríos aluviales. Ecuaciones y métodos de uso más extendido para su evaluación y cálculo.


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1.10.4    Materiales empleados en modelos fluviales.

 

En los modelos de lecho móvil puede emplearse un material más grueso que el que correspondería a la escala geométrica del modelo, para evitar el efecto de las fuerzas viscosas en el inicio del movimiento, en la configuración del fondo, en la resistencia al flujo y en el transporte sólido.  El aumento del tamaño es una distorsión de la granulometría con respecto a la geometría del cauce.  Esta distorsión puede compensarse utilizando un material más ligero que el mineral del prototipo.  Tal material en el modelo puede ser natural (como carbón) o artificial (plástico o sintético) y debe ser más ligero, tratando de contrarrestar su mayor tamaño, de modo que el inicio del movimiento ocurra en condiciones homólogas. 

 

[El carbón tiene densidades relativas desde 1.20 hasta 1.50 y es importante que no sufra desgaste por abrasión, lo que modificaría la granulometría.  Entre los plásticos se ha utilizado mucho la baquelita, con densidad relativa de 1.4, que se obtendría triturando aparatos de teléfono.  Distintos laboratorios tienen preferencia por diferentes materiales].

 

Esta idea es lo que expresa la ecuación: lrs-r lD = ly.

 

Supongamos un problema en un río de gravas con Dm = 25 mm que se desea modelar a escala 100 (deducida por la longitud del tramo de estudio y el espacio en el laboratorio).  Empleando carbón cuya densidad es rs/r = 1.40 , resulta:

lrs-r = (2.6 - 1)/(1.4 – 1) = 4; lD = 100 / 4 = 25.  Es decir, el tamaño medio de las partículas de carbón sería de 1 mm, cuatro veces mayor que el tamaño que tendría si fuera material mineral.  El caudal sólido de partículas de carbón por unidad de anchura seguiría respecto al prototipo la escala lqs = 250, mientras que el caudal líquido unitario seguiría la escala lq= 1000.  La diferencia entre las escalas de caudal sólido y líquido implica la existencia de un tiempo “sedimentológico” diferente del tiempo hidráulico dado por la escala según la semejanza de Froude.

 

El inconveniente de la distorsión granulométrica es su efecto sobre la resistencia al flujo.  Al aumentar D, aumenta la rugosidad k y también el coeficiente de fricción f, cuya escala debería ser la unidad.  Si la distorsión es moderada y si la rugosidad por formas de fondo (dunas) es dominante sobre la rugosidad por tamaño de grano, entonces el efecto es despreciable.  Los modelos con material distorsionado necesitan una calibración.  La calibración es también recomendable para todos los modelos de lecho erosionable.  Se trata de reproducir en el modelo una situación en la cual existan datos de campo (del prototipo), prestando atención a la evolución del fondo.  El objeto de la calibración, tras la rugosidad, es el caudal sólido, casi siempre desconocido en el prototipo.  De uno u otro modo, la calibración busca alcanzar un equilibrio del fondo bajo el caudal sólido ajustado. 

 

La distorsión de la granulometría y de las dimensiones verticales simultáneamente en un modelo de lecho móvil, es una técnica viable y utilizada pese a sus dificultades.  Un problema de la distorsión vertical en fondo móvil es la incorrecta simulación de las dunas y otras morfologías de fondo, en las que intervienen las dimensiones verticales (exageradas) decisivamente. 

 

Los modelos reducidos son en tanto una “ciencia” como un “arte”.  La teoría de la de semejanza que se ha presentado en cuanto al transporte sólido no es la única ni es incuestionable.  El hecho de que la fiabilidad del modelo dependa tanto de la calibración como de los criterios de semejanza “teóricos” da libertad a un laboratorio para otras prácticas. Es la capacidad del modelo para reproducir hechos observados en el prototipo lo que sanciona una práctica y lo que convierte en capital la calibración de los modelos.

También hay que distinguir un modelo que trate de cuantificar en términos absolutos un problema fluvial en lecho móvil de uno que lo estudie cualitativamente, o en términos relativos o comparativos.  En este caso pueden estar justificados modelos tales como:

 

·        Modelos de lecho granular ensayados sin aportación de sedimento en cabecera (técnica de “aguas claras”), para estudiar erosiones.  En ocasiones para hacer más lento el proceso de erosión, se compacta el material granular con ayuda de una fracción fina.

·        Modelos de lecho fijo ensayados con aportación de sedimentos en cabecera, para estudiar sedimentaciones; estos modelos ensayados largo tiempo, hasta que sale del modelo el mismo caudal sólido que se le suministra, hasta alcanzar el mismo equilibrio que se busca en los modelos de lecho erosionable.

 

*1 [Tomado de la referencia: Hidráulica Fluvial. Martín Vide, Juan Pedro. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería y Publicaciones UPC, Barcelona. (España). 1997. Politex Area d'Enginyeria Civil No.58. Libro de referencia de la Escuela Colombiana de Ingeniería (627.12/M379i) - (627.122/C877i)]

 

 

 


Escuela Colombiana de Ingeniería. Centro de Estudios Hidráulicos y Ambientales.
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