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1.9.1 Análisis físico sobre la rugosidad y las formas de fondo
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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1.9.1    Análisis físico sobre la rugosidad y las formas de fondo.

 

La relación entre la potencia de la corriente y el diámetro medio de caída de las partículas que conforman el fondo, es de gran utilidad para predecir las formas de fondo que puedan encontrarse en un cauce cuando estas características sean conocidas.

Cuando se tiene un fondo plano sin movimiento, la resistencia al flujo equivale a la de un contorno fijo.  Si se da el caso de que es un lecho arenoso, el coeficiente n de Manning puede calcularse por la fórmula de Strickler.

 n = 0.015 (d50)1/6, donde: d50 es el diámetro en mm correspondiente al 50% del material que pasa expresado en peso.  Igualmente se puede utilizar la fórmula: , donde d90 es el diámetro en metros correspondiente al 90% del material que pasa, expresado en peso.

 

La siguiente tabla es una buena herramienta para determinar el coeficiente de rugosidad de Manning, n, de acuerdo con la zona de flujo y la forma de fondo.

 Tabla No. 3 Relación entre las formas de fondo y el coeficiente de rugosidad n de

Manning, de acuerdo con la zona de flujo.  O

 

De observaciones en cauces naturales con lechos de arena fina a media, se pudo concluir que cada vez que se pasaban grandes caudales la resistencia al flujo disminuía.  De allí que se recomiende utilizar, de la tabla anterior, los valores mínimos para los caudales de crecida y los valores máximos para los caudales pequeños. (Richardson 1975).

 

 Figura No.31  Formas de fondo: a) Dunas, b) Antidunas, c) Rápidos y d) Pozos.  O

  

Cada forma de fondo añade a la resistencia al flujo debida al tamaño del grano una resistencia de forma.  Esta es generalmente mayor con las dunas que con las arrugas o con el lecho plano.  Por otro lado, este último coincide aproximadamente con el régimen crítico (Número de Froude = 1), separando las formas de fondo de régimen subcrítico o lento (arrugas y dunas) de las de régimen supercrítico o rápido (antidunas). 

En la figura No. 32, se observa la tensión total debida a las fuerzas de rozamiento en el fondo, consecuencia de esta evolución de formas.  Las particularidades de esta curva explican el hecho, comprobado en ríos de arena, de que en cierta región de caudales un caudal mayor circule con una profundidad menor. (Las dunas son barridas y la resistencia al flujo disminuye). 

 

 Figura No. 32 Tensión total sobre un fondo móvil en función del Número de Froude (Fr).  O

 

Existen diversos criterios para deducir las formas de fondo de un lecho granular. Uno muy simple emplea las mismas variables adimensionales del ábaco de Shields (Figura No. 33), con la que resulta un área distinta para cada forma por encima de la línea del principio del movimiento.  Se observa que las arrugas corresponden al movimiento turbulento liso y que son sustituidas por lecho plano y dunas para un movimiento más desarrollado.  En ríos de granulometría gruesa y extendida se presentan formas de fondo de mayor escala y desarrollo longitudinal, llamadas barras.

 Figura No.33  Diagrama formas de fondo en un diagrama de Shields.  O

 

 

 


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