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2.9.1 Evaluación de los supuestos básicos.
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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2.9.1 Evaluación de los supuestos básicos. 

 

Con la excepción de las aproximaciones probabilisticas y las de regresión, varias ecuaciones de transporte de sedimentos se dedujeron del supuesto que la proporción o tasa del transporte de sedimentos o la concentración podrían determinarse por una variable dominante.  Estas ecuaciones pueden expresarse por una de las siguientes formas básicas:

qs =   A1·(Q – Qc)B1

qs =   A2·(V – Vc)B2

qs =   A3·(S – Sc)B3

qs =   A4·(ttc)B4

qs =   A5·(t·V – tc·Vc)B5

qs =   A6·(V·S – Vc·Sc)B6

Donde:

qs =   Descarga de sedimentos por unidad de ancho del canal.

Q =    Descarga o caudal de agua.

V =    Velocidad media del flujo.

S =    Pendiente de energía de la superficie del agua.

t =     Esfuerzo cortante.

t·V =  Energía o potencia de la corriente por unidad de área en el fondo.

V·S = Potencia del flujo.

A1, A2, A3, A4, A5, A6, B1, B2, B3, B4, B5 y B6 = Parámetros relacionados con el flujo y con las condiciones físicas del sedimento.

c =     Subíndice que denota la condición crítica para el movimiento incipiente.

 

Datos de laboratorio recopilados por Guy en 1966 de flujos de laboratorio con arenas de 0.93mm, son mostrados en la figura No.40 que usó Yang (1972, 1983) como un ejemplo para examinar la validez de estos supuestos.

 

La figura 40(a) muestra la relación entre la descarga total de sedimentos y el caudal de agua.  Para un valor dado de Q, se pueden obtener dos valores diferentes de qt.  Datos de campo obtenidos por Leopold y Maddock (1953), también indicaron resultados similares.  Algunos de los datos de Gilbert en 1914, indican que no hay ninguna correlación entre los datos de la descarga de agua y la descarga de sedimento.  Al parecer, diferentes descargas de sedimento pueden ser transportadas por el mismo caudal de agua y una descarga de sedimento dada puede ser transportada por diferentes descargas de agua. 

 

Los mismos juegos de datos mostrados en la figura No.40(a) son graficados en la figura No.40(b), donde se muestra la relación entre la descarga total de sedimentos y la velocidad media. Aunque qt se incrementa intensamente con el incremento de V, está claro que para aproximadamente el mismo valor de V, el valor de qt puede diferir considerablemente debido a la pendiente de la curva.  Algunos de los datos presentados por Gilbert indican que las correlaciones entre qt y V son poco constantes.  La figura No.40(c) indica que las diferentes cantidades de la descarga total de sedimentos pueden ser obtenidas con la misma pendiente, y diferentes pendientes pueden llegar a producir la misma descarga de sedimentos.  La figura No.40(d) muestra que hay una correlación justamente bien-definida entre la descarga del sedimento total y el esfuerzo cortante cuando la descarga del sedimento total está en el rango medio de la curva.  Para la descarga del sedimento superior o más bajo, la curva se hace vertical, para que del mismo esfuerzo cortante puedan obtenerse diferentes valores de la descarga de sedimento. 

 

Está claro que en las figuras No.40(a-d), más de un valor de la descarga de sedimento total puede obtenerse del mismo valor de descarga de agua, la velocidad, la pendiente o el esfuerzo cortante.  La validez de este supuesto donde la descarga total de sedimentos de un tamaño de partícula dada, pueda ser determinada a partir de la descarga de agua, la velocidad, la pendiente o el esfuerzo cortante, está abierta a ser cuestionada.   Debido a la debilidad básica de estos supuestos, la generalidad de una ecuación derivada de uno de estos supuestos es también cuestionable.  Cuando los pares de datos son graficados como en la figura No.40(e), con la potencia de la corriente como variable independiente, la correlación entre las variables es mejorada. Más allá, la mejora puede hacerse usando la energía o potencia del flujo como la unidad de variable dominante, como se muestra en la figura No.40(f).  Esta relación íntima existe a pesar de la presencia de diferentes formas de fondo, como el fondo plano, las dunas, formas de transición o los pozos o rápidos.

 

La relación intrínseca entre la concentración del sedimento total y la potencia de la corriente, no sólo existe en los cauces rectos, sino también en los cauces que están en proceso de cambiar su morfología de rectos a meándricos y a cauces trenzados.

 

Por otra parte, los supuestos básicos más usados en el desarrollo de las ecuaciones de transporte de sedimentos tienen que ser evaluados, de acuerdo con la validez y la generalidad de esos supuestos, se requieren ser verificados con datos de laboratorio.    Estas verificaciones y evaluaciones indican que el supuesto de que la tasa de transporte de sedimentos o la concentración puede ser relacionada con la tasa de disipación de energía, usada generalmente con más frecuencia en diversas aplicaciones, en vez de aproximaciones usando la descarga de agua, la velocidad media del flujo, el esfuerzo cortante, la pendiente de energía, como la variable dominante. 

 

Existen tres formas o maneras de expresar la tasa de disipación de energía en el transporte de sedimentos.  La potencia de la corriente, concepto introducido por Bagnold en 1966 y posteriormente usado por Engenlud y Hansen en 1972 y por Ackers y White en 1973, concepto que se basa en la energía por unidad de peso de agua, como Velikanov (1954), que uso este parámetro para desarrollar su teoría gravitacional.  La validez y la generalidad del concepto de energía, puede ser una de las razones básicas de las ecuaciones de Engenlud y Hansen, Ackers y Whitey Yang y que son, generalmente, más exactas que las otras. 

 

Otra de las razones por las cuales los parámetros usados en estas ecuaciones son dimensionalmente, en comparación con otras, inexactos, es la escala de éstos y su sensibilidad respecto a la magnitud del fenómeno físico que está ocurriendo en ríos naturales, en comparación con datos de laboratorio.  El concepto de potencia de la corriente se basa en leyes físicas, ya que requiere una estricta deducción de los conceptos de la mecánica de fluidos. 

 

Por otro lado el concepto de potencia de la corriente no es la única aplicación que se presenta, basados en la confirmación de los datos, porque estos conceptos están basados en deducciones hechas directamente de teorías físicas de la mecánica de fluidos y del fenómeno de la turbulencia. 

 

Aunque el parámetro de Velikanov puede transferirse a la potencia del flujo y viceversa, la validez y generalidad de los supuestos usados en la transformación son cuestionables.  Esto puede ser mostrado teóricamente si las concentraciones de carga de fondo, carga suspendida y carga total son directamente relacionados con la potencia del flujo.  La generalidad del supuesto usado en el desarrollo de las ecuaciones basadas en el concepto de la potencia del flujo (Yang), el dimensionamiento de los parámetros usados en esas ecuaciones y la gran cantidad de datos recolectados para la calibración de los parámetros, puede ser una de las razones por las cuales las aproximaciones y las ecuaciones son más exactas para materiales no-cohesivos bajo condiciones de laboratorio y condiciones de campo.

  

Figura No.40  Relaciones entre la descarga total de sedimentos y (a) Descarga de agua, (b) Velocidad, (c) Pendiente, (d) Esfuerzo cortante, (e) Potencia de la corriente y (f) Potencia del flujo para arenas de 0.93mm en un flujo con 8 pies de ancho. (Yang, 1983)  O

El concepto probabilístico introducido por Einstein en 1950 y usado posteriormente por otros investigadores, ha contribuido en gran manera para la comprensión de los procesos del transporte  de sedimentos, sin embargo, esta aproximación es muy complicada para usarse en aplicaciones de ingeniería.  Muchos de los parámetros usados por Einstein son basados en observaciones limitadas de laboratorio.  Muchos supuestos de simplificación en los conceptos fueron usados por Einstein y otros en el desarrollo de sus funciones de transporte.  Como resultado de esto, se tienen varias modificaciones e inclusive simplificaciones al procedimiento presentado por Einstein.  Los requerimientos de cantidades significativas de datos que algunas veces no son disponibles en algunos casos, limitan la aplicación de estos procedimientos para una solución práctica en problemas de ingeniería.

 

Las aproximaciones de regresión pueden proveer útiles ecuaciones empíricas para ser usadas en aplicaciones de ingeniería, sin embargo, esta sola aproximación no proveen parámetros con significado físico que mejoren la comprensión de los procesos del transporte de sedimentos.  Ejemplos de este tipo de ecuaciones son las de Shen y Hung, Karim y Kennedy y otros.  Es importante que la aplicación de estas ecuaciones se deriven principalmente de los análisis de la regresión de datos para limitarse a las condiciones similares de los datos dónde fueron obtenidos.

 

 


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