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Juan P. Martín Vide
Ingeniería fluvial
EDICIONS UPC
La presente obra fue galardonada en el cuarto concurso "Ajut a l'elaboració de material docent" convocado por la UPC.
Primera edición: febrero de 1997 Reimpresión: septiembre de 2000 Segunda edición: junio de 2003
Diseño de la cubierta: Manuel Andreu ©
Juan P. Martín, 1997
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Edicions UPC, 1997 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es E-mail:
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CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord) La Cup. Gran Capità s/n, 08034 Barcelona
Depósito legal: B-29831-2003 ISBN: 84-8301-722-9 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos.
Prólogo
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Prólogo
Este libro se ha escrito como material docente de la asignatura Obras Hidráulicas II en los estudios de Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos de la Escuela de Barcelona, con el estímulo moral y la ayuda material de la Universitat Politécnica de Catalunya. La asignatura, que se dicta en el cuatrimestre de primavera, de Febrero a Mayo, a razón de cuatro horas por semana, se dedica monográficamente a la ingeniería fluvial. Es cursada por alumnos de especialidad, después de haber seguido un curso general y obligatorio de Obras Hidráulicas. La ingeniería fluvial parece la rama cenicienta de la ingeniería hidráulica. No puede competir en altura tecnológica con las presas o los saltos hidroeléctricos, por ejemplo. Puesta en un curso de obras hidráulicas queda relegada al final del temario y resulta desconcertante qué poco hay que explicar. Lo singular de la ingeniería fluvial es no tratar con objetos o procesos creados por el hombre sino con elementos de la naturaleza (los ríos) que por ello son todos distintos, como las personas. Quizá esto explique que la tradición de la ingeniería fluvial sea de un enorme empirismo; todavía hoy es a menudo una ingeniería ad hoc, basada en la observación in situ y fácilmente arrastrada por la costumbre, de la que es difícil abstraer conocimiento generalizable. Por eso hay tan poca tecnología que explicar sino sólo casos particulares, aparentemente. Ahora bien dirigiendo la atención hacia los ríos quizá se despierte en el curioso la pasión del conocimiento. ¿No es interesante el dinamismo “vital” de los ríos, cuando evolucionan o reaccionan ante la intervención humana?; ¿no es estimulante que el mérito o la calidad de un encauzamiento sea algo sutil, matizado, manifestado a largo plazo, en lugar de poderse juzgar por ejemplo con criterios de producción?. Añadamos la expectativa social sobre los ríos levantada por la “ola del medio ambiente” y quizá nos parezca la ingeniería fluvial la rama más brillante de la ingeniería hidráulica. El curioso volverá la mirada hacia el conocimiento científico. Encontrará una disciplina floreciente: la hidráulica fluvial, hija de la mecánica de fluidos. Estudia en profundidad la mecánica del transporte de agua y sedimentos, pero necesita idealizar los problemas para poder usar la experimentación y las matemáticas. En consecuencia, hay grandes dificultades para aplicarla a la práctica. Colocados frente a los ríos con la ingeniería fluvial tradicional (empírica) y esta hidráulica fluvial, es como si tuviéramos los remedios caseros y la bioquímica celular pero nos faltara una medicina racional para tratar a las personas.
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La asignatura tiene dos temas principales: uno mayor, desarrollado en tres capítulos, titulado “Encauzamientos” en sentido amplio y otro menor en un capítulo titulado “Hidráulica de Puentes”. El resto son capítulos auxiliares que prestan un servicio a los anteriores: nociones de hidráulica fluvial y nociones de morfología fluvial, al principio, y modelos reducidos al final del temario. A lo largo de este programa se hace un esfuerzo en varias direcciones. En primer lugar, hay un empeño de racionalización porque el campo del conocimiento está muy desorganizado. En segundo lugar, una síntesis o compilación de experiencia práctica que se encuentra en fuentes escritas dispersas. En tercer lugar, un intento de simplificar y trasladar a la práctica conocimientos “teóricos” de hidráulica fluvial. Lógicamente este libro se puede llamar libro de texto. Toma como punto de partida lo que sabe un alumno de quinto curso (las matemáticas, la mecánica racional y la hidráulica son conocimientos previos necesarios) y desarrolla un programa con la profundidad y extensión apropiadas al aprendizaje durante un cuatrimestre de especialización. Nos sentiríamos satisfechos con cumplir ese objetivo y que las futuras promociones de ingenieros tuvieran una base sólida de ingeniería fluvial como de cualquier otra rama “normal” de sus estudios. El libro puede servir para estudiar: en las clases los conceptos penetran más intuitivamente, aunque no quedan quizá arraigados por igual. Como libro de texto tiene cuestiones y problemas para afianzar el trabajo personal. Los problemas se inspiran en casos reales con sus verdaderas magnitudes y así sirven también de ejemplo de aplicación y, pensamos, de estímulo al estudio. Una vez completado el aprendizaje, el libro resultará en seguida insuficiente, como es lógico, para personas con mayor inquietud. Algunas cuestiones o ejercicios de tipo teórico dejan planteadas líneas para profundizar. La bibliografía comentada, al final del libro, es la puerta abierta a seguir estudiando. En las notas de cada capítulo se hacen otras referencias bibliográficas de aspectos más parciales, junto a ejemplos, precisiones, ampliaciones y curiosidades. Para el profesional el libro puede ser también interesante. Quien esté alejado de la materia deberá refrescar las bases previas necesarias. Como libro de consulta de ingeniería quizá los aspectos aplicados de cálculo y proyecto pueden ser útiles. El especialista en ingeniería fluvial, aunque tiene poco que aprender, puede comparar sus puntos de vista con los del autor. La selección de los temas y el enfoque en su desarrollo están en el contexto de nuestro país. En un país más húmedo o en uno tropical, en un país más rico o en uno más pobre, puede cambiar el acento e incluso el objeto de la atención. Curiosamente el contexto penetra también en los mismos conceptos de la ingeniería fluvial. En honor a la verdad hay que mencionar igualmente el contexto personal para dar razón de la materia y la forma del libro. Desde 1990 el autor se dedica a la ingeniería fluvial. Las líneas de investigación en marcha (erosión local, traviesas, ramblas y ríos torrenciales) y diversos estudios concretos en ríos de Cataluña, a propósito de encauzamientos y puentes, con trabajo de campo y laboratorio, han dejado su huella en estas páginas. La otra actividad con repercusión en el libro y una de las más gratificantes, es la lectura y estudio de todo tipo de fuentes. La asignatura ha ido tomando la forma actual en los últimos años desde 1993. El tema de modelos reducidos, el más cartesiano, fue el primero en estar concluido en las notas; siguió, también en notas y fichas, la hidráulica de puentes y la hidráulica y morfología fluvial. De este último tema (capítulo 2) se escribió y distribuyó un borrador completo en el curso 1995. Finalmente, los encauzamientos se han desarrollado con toda la extensión que merecen en este curso 1996. Todos los capítulos (excepto el
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segundo) se han escrito en borrador durante la primavera de 1996 y han sido utilizados como material docente por los estudiantes. Ellos han resuelto también cuestiones y problemas, aunque la lista de ejercicios se ha ampliado mucho en la última versión. Gracias a las dudas y preguntas de los estudiantes se han mejorado partes del texto. Hay dos actividades importantes de la asignatura que no se pueden verter en el libro. Una son las prácticas de laboratorio y otra son las sesiones de diapositivas con ejemplos ilustrativos, datos y discusiones. El espíritu de estas sesiones está sin embargo en los problemas. Con estos antecedentes el autor no puede pretender haber concluido o culminado la tarea. Evidentemente aparecerán deficiencias en el texto. Si Dios quiere seguirá investigando, trabajando, leyendo y enseñando y así mejorará su compresión de algunos temas o se hará evidente la importancia de otros. El lector puede ayudarnos en esta tarea. Debo agradecer a la Universitat Politécnica de Catalunya la ayuda concedida para elaborar el material. Algunos contenidos del texto se han perfilado en discusiones con personas del Departamento de Ingeniería Hidráulica, entre las que he de señalar con agradecimiento a James Ruff, Ernest Bladé (que ha dado clases en la asignatura) y Allen Bateman. Otros profesores y otras muchas personas han contribuido a este libro. Mi agradecimiento a los estudiantes del ejemplar curso de 1996 y entre ellos a la dedicación impagable de Myriam Díaz en convertir el manuscrito en algo presentable.
Juan P. Martín Vide Barcelona, 9 de Agosto de 1996.
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Nota A lo largo del texto las llamadas a notas desde de un capítulo se hacen por su número entre paréntesis como exponente, por ejemplo (1). Las llamadas a la bibliografía del final del libro por su número entre corchetes, por ejemplo [1] . Las llamadas a cuestiones relacionadas con el texto con la letra C seguida del número, por ejemplo C.1 y del mismo modo con respecto a los problemas: P, por ejemplo P.1. Las llamadas a otros apartados o capítulos del texto por el símbolo cf seguido del número de capítulo o apartado, por ejemplo cf.4.3 es una invitación a consultar el apartado 4.3 (apartado tercero del capítulo cuarto). Las llamadas a figuras se hacen con la abreviatura fig. seguida del número de la figura, el cual sigue la misma lógica de numeración que los apartados, por ejemplo fig.4.3. Las llamadas a ecuaciones, finalmente, se hacen con el número entre paréntesis y a veces la abreviatura ec., por ejemplo ec.(1).
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Índice.
Capítulo 1: Introducción: los ríos
Capítulo 2: Nociones de hidráulica fluvial 2.1. Introducción 2.2. Granulometría 2.3. Umbral o principio del movimiento 2.4. Acorazamiento 2.5. Técnicas de muestreo 2.6. Nociones de transporte de sedimentos 2.6.1. Clasificación del transporte 2.6.2. Caudal sólido 2.7. Equilibrio del fondo 2.8. Formas de fondo 2.9. Ecuaciones de transporte de fondo .9.1. Ecuación de Meyer-Peter y Müller .9.2. Ecuación de Einstein-Brown 2.10. Bases de modelos matemáticos 2.11. Conceptos sobre erosión Cuestiones Problemas
Capítulo 3: Nociones de morfología fluvial 3.1. Introducción 3.2. Clasificación básica de los ríos 3.3. Morfología fluvial: formas en planta 3.4. Geometría hidráulica de un río 3.5. Características de las ramblas 3.6. Caudal dominante 3.7. Leyes de Fargue 3.8. Flujo en curvas 3.9. Descripción del ecosistema fluvial
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Cuestiones Problemas
Capítulo 4: Encauzamientos: concepción y proyecto 4.1. Introducción 4.2. Objetivos de un encauzamiento 4.3. Efectos de un encauzamiento 4.4. Condicionantes de un cauce estable: aguas bajas, aguas altas y avenidas 4.5. Condicionantes de un cauce estable: sinuosidad 4.6. Consideraciones de trazado de un encauzamiento 4.6.1. Trazado de la planta de un cauce principal 4.6.2. Otras características del cauce principal 4.6.3. Trazado de los cauces de aguas altas y avenidas 4.7. Caudal de proyecto: consideraciones económicas 4.8. Caudal de proyecto e inundación: consideraciones legales 4.9. Otros efectos de los diques de avenida o inundación 4.10. Encauzamiento de un río trenzado: reunión de brazos 4.11. Uso de espigones en el encauzamiento de ríos 4.12. Estabilización de un cauce y defensa de márgenes 4.13. Comportamiento de los cauces estrechos o estrechados 4.14. Encauzamiento de ramblas y ríos torrenciales 4.15. Nota sobre encauzamientos urbanos 4.16. El papel de las traviesas en los encauzamientos 4.17. El problema de las desembocaduras 4.18. Encauzamientos con diversidad de hábitats 4.19. Conclusión: ideas clave de la ingeniería fluvial Cuestiones Ejercicio para programar Problemas
Capítulo 5: Encauzamientos: cálculo 5.1. Introducción 5.2. Distribución de tensiones en una sección 5.3. Distribución de velocidades en una sección 5.4. Tensiones críticas y sección erosionable 5.5. Secciones anchas y secciones en curva 5.6. Conceptos de teoría del régimen 5.7. Aplicaciones de la teoría del régimen 5.8. Cálculo de la capacidad 5.9. Resistencia al flujo en un fondo granular 5.10. Estimación de los coeficientes de rugosidad de Manning 5.11. Cálculo de una sección compuesta 5.12. Cálculo de niveles de agua 5.13. Estimación de la erosión potencial
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5.14. Erosión general transitoria 5.15. Erosión general a largo plazo 5.16. Erosión en curvas 5.17. Combinación de erosiones 5.18. Dimensionamiento de una obra de escollera Cuestiones Problemas
Capítulo 6: Encauzamientos: materiales y métodos 6.1. Introducción 6.2. Escollera 6.3. Gaviones 6.4. Motas de materiales sueltos 6.5. Nota sobre obras lineales 6.6. Vegetación 6.7. Otros materiales 6.8. Formación del cauce por el río 6.9. Obras de dragado Cuestiones
Capítulo 7: Hidráulica de puentes 7.1. Introducción 7.2. Problemas hidráulicos de los puentes 7.3. Consideraciones sobre el emplazamiento de un puente 7.4. Alineación del puente 7.5. Dimensionamiento del vano: altura libre 7.6. Economía y efectos de la anchura libre del vano 7.7. Vano en el caso de llanura de inundación 7.8. Obras de encauzamiento y diques de guía 7.9. Cálculo hidráulico 7.10. Estudio de las erosiones 7.11. El fenómeno de la erosión local en pilas 7.12. Cálculo de la erosión local en pilas 7.13. Cimentación y protección de pilas frente a la erosión 7.14. Otras acciones hidráulicas Cuestiones Problemas Práctica de laboratorio
Capítulo 8: Modelos reducidos en ingeniería fluvial 8.1. Introducción 8.2. Utilidad de los modelos reducidos
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8.3. Análisis de la semejanza de un modelo en lámina libre 8.4. Modelos distorsionados y no distorsionados 8.5. Escalas de semejanza en un modelo distorsionado de lecho fijo 8.6. Criterios de semejanza en un modelo distorsionado de lecho fijo 8.7. Modelos erosionables con material distorsionado 8.8. Modelos para el estudio de la erosión local 8.9. Colofón Cuestiones
Notas
Bibliografía para seguir estudiando
Epílogo
Índice alfabético
Índice geográfico
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Introducción: los ríos
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1. Introducción: los ríos
Los conocimientos necesarios para aprovechar este Curso de Ingeniería Fluvial son las asignaturas de Hidráulica e Hidrología y de Obras Hidráulicas. En la primera se aprende a aplicar los principios de la mecánica de fluidos a los dos modos de transporte fundamental del agua: en tubería a presión y en canal en lámina libre. En la segunda se aprende el funcionamiento de los sistemas para aprovechar los recursos hidráulicos. La ingeniería fluvial trata de las intervenciones humanas en los ríos para su adecuación al aprovechamiento de los recursos o a la reducción de los riesgos de daño. Pero el río no es en sí mismo objeto de la ingeniería civil, como pueden ser una carretera o un ferrocarril. El río es un elemento natural que recoge las aguas de una cuenca y las transporta en lámina libre hasta su desembocadura. El antecedente o punto de referencia más directo en los estudios de ingeniería civil para entender un río es la hidráulica del régimen en lámina libre y las obras hidráulicas para transporte en lámina libre: los canales. La hidráulica proporciona una base de análisis de ciertos problemas fluviales, pero pensar que la hidráulica fluvial es meramente una extensión de la hidráulica de lámina libre es un grave error. Así también pensar en una obra de encauzamiento como si fuera un canal ha llevado a un tipo de ingeniería fluvial justamente criticada. En este primer capítulo del Curso de Ingeniería Fluvial vamos a aprovechar la comparación entre canales y ríos para resaltar las características específicas y nuevas de los ríos, que nos obligan a un cambio de mentalidad. Lo que tienen en común ríos y canales es transportar agua en lámina libre. Las diferencias arrancan de las preguntas más básicas como ¿cuánta agua? , ¿cuándo la transportan?, ¿por dónde la transportan?, ¿sobre qué material?, ¿con qué características hidráulicas?, ¿qué más transportan?, etc. Cuando nos referimos a un canal, que es una obra de ingeniería civil como otras infraestructuras, las preguntas se responden mediante un proyecto en el que se elige el caudal de diseño (cuánto), el régimen de explotación (cuándo), el trazado (por dónde), el revestimiento (sobre qué), la sección tipo (cálculo hidráulico) y se proyectan quizá medidas para evitar la entrada de sedimento o su decantación en un desarenador. Para un río por el contrario no hay determinaciones previas, sino que las respuestas son en todo caso objeto de estudio de la hidrología, la geomorfología o la hidráulica fluvial. El caudal de un canal suele ser constante. En los ríos el caudal es siempre variable, según el régimen hidrológico de la cuenca, en una escala de tiempos estacional o bien restringida a un episodio meteorológico. Ciertos caudales infrecuentes pero no extraordinarios son importantes para el río en el sentido de que le conforman el cauce, y además existen las avenidas extraordinarias, las cuales pueden transformar radicalmente la naturaleza o el curso del río (por ej. atajando un meandro). No
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hay que olvidar los caudales menores pero duraderos. Se siente siempre resignación cuando para abordar un problema fluvial no hay más remedio que seguir un método de razonamiento o de cálculo que utiliza un solo caudal (caudal permanente). El recorrido o la planta del cauce de un río no es fijo como el de un canal trazado por el hombre, sino que puede cambiar, de forma aguda en sucesos extraordinarios o de manera lenta y gradual a lo largo del tiempo. En los cambios, el río hace uso de un grado de libertad relativo a la planta, buscando un cierto acomodo (o equilibrio) que siempre se concreta en una u otra sinuosidad, no en alineaciones rectas, como son proyectados los canales. La pregunta “¿por dónde?” tiene una implicación más. El canal surca el territorio con una escasísima interacción con el medio. No tiene relación con el nivel freático si es revestido, a no ser incidentalmente (filtraciones), no crece apenas vegetación y las aguas a veces van demasiado rápido y son demasiado hondas para formas de vida acuáticas. El río mantiene un “diálogo” con el medio, con los niveles freáticos, etc., y a su alrededor se forma un ecosistema húmedo. El cauce y la circulación de las aguas son apropiados para la vida vegetal y animal. El río transporta el agua sobre el material del valle, acarreado por el propio río. Este material puede ser movido y arrastrado por el agua. Los contornos del flujo son fijos en un canal pero no en un río, cuyo fondo y orillas pueden presentar acreción por sedimentación o regresión por arrastre de partículas (erosión). Estos cambios de las secciones del río, agudos o graduales, son efecto de las variables hidrológicas, hidráulicas (velocidad) y del propio transporte del material (caudal sólido, tamaño del material...). Con estos ingredientes el río busca un acomodo usando un segundo grado de libertad. Las secciones que forma son generalmente más anchas y someras que las proyectadas para los canales. El tercer grado de libertad de la hidráulica fluvial, compartido éste con los canales, es la posición de la superficie libre en el régimen de lámina libre. La morfología fluvial da cuenta de las formas de la planta y sección de un río. Las libertades que hemos atribuido al río son las que él trata de hacer valer cuando una intervención modifica los equilibrios anteriores. En este sentido hablamos del comportamiento “dinámico” de los ríos, lo cual es difícil de hacer sin personificar, como en la frase anterior. La ingeniería fluvial debe calibrar los equilibrios preexistentes, y adivinar los efectos de una intervención. Para algunos ingenieros, la actitud intelectual en este trato con el río es una mezcla de ciencia y arte a la que llaman Fluviomaquia (etimológicamente lucha con el río). Un río es un medio con un flujo bifásico de agua y sedimento (procedente del cauce o de la cuenca). Cuando este flujo no presenta ningún cambio espacial o temporal, simplemente el río da una aportación de agua y una de sedimentos. La importancia de la primera es evidente; la de la segunda no puede olvidarse en problemas que tocan al ingeniero civil como la sedimentación y pérdida de capacidad de los embalses, la regresión de los deltas o la explotación de áridos admisible en las graveras. Solo por ello sería interesante conocer algo más del transporte de sedimentos. Pero además, un desequilibrio temporal o espacial implica variaciones de la cota del fondo que pueden ser graves para las obras cimentadas en el río o cerca, ya sean obras viarias (puentes,...) como obras específicamente fluviales (encauzamientos,...). Las variaciones temporales pueden ser erosiones durante una avenida y las espaciales erosiones en una curva o en una caída. En un canal revestido, en cambio, se trata de evitar la entrada de sedimento porque su depósito resta sección útil de transporte.
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Con respecto al transporte del agua (hidráulica del régimen en lámina libre), pocas veces nos percatamos de que un canal es prismático y definido por una sección tipo, mientras no se diga lo contrario. De un río puede decirse lo opuesto: que es no prismático mientras no se diga lo contrario. La diferencia entre ambas cosas es muy importante: por ejemplo, la superficie libre o línea de agua nunca tiene la forma suave de una curva de remanso. Por otro lado, en un cauce no prismático se presenta el incómodo problema de cómo considerar las pérdidas de carga localizadas. Una diferencia aún más radical se refiere al régimen hidráulico. Hay buenas razones para creer que el régimen rápido no existe en cauces naturales, sólo en los canales rectos, prismáticos y en fondo rígido hechos por el hombre. La propensión al cambio de régimen ante cualquier falta de regularidad es una de ellas, bien visible en experimentos. El fondo de un río responde con erosión a las altas velocidades, de manera que fondo y régimen hidráulico pueden acomodarse a una sucesión de régimen lento (pozos) y régimen rápido (rápidos), como muestra la naturaleza, en lugar de un régimen rápido de larga extensión. La rugosidad en un canal es un parámetro bien definido y determinante de su capacidad. En un río, el caudal circulante y la altura del agua están relacionados de manera mucho más compleja, pues existe una resistencia al flujo por el tamaño del grano del material de fondo y otra añadida por las formas del fondo granular (dunas, etc.). Cuando un río sube por encima de su nivel habitual inundando orillas o llanuras donde crece la vegetación, el problema de la resistencia al flujo se hace aún más complejo. Para terminar la comparación, los ríos experimentan un fenómeno extraordinario al que se sustraen los canales: las avenidas. Durante el curso se utiliza la noción de avenida muchas veces, como aquella situación que crea las mayores solicitaciones: pone a prueba la estabilidad de un cauce, causa las mayores erosiones, provoca el desbordamiento o inunda, etc. En los ríos grandes las avenidas son aumentos del caudal y subidas del nivel de las aguas, incluso graves, pero no son un fenómeno “independiente”. Para muchos conceptos y cálculos de este curso es preciso guardar esta noción de avenida. Ahora bien, el contexto de nuestro país nos obliga a tener presente el fenómeno de las avenidas torrenciales. En estos sucesos se conjugan factores hidrológicos (el tamaño pequeño de las cuencas), hidráulicos (la pendiente alta de los cauces) y del transporte de sedimentos (de gran magnitud). La avenida se puede presentar como una pared rugiente de agua y material sólido. Estos fenómenos son muy desconocidos todavía. La diversidad de los ríos es tan grande como la diversidad geográfica del mundo: el clima, el relieve, la geología, la ecología dan lugar a ríos muy distintos entre sí. Ríos de montaña o de llanura, grandes o pequeños, de país seco o húmedo, en substrato granítico (cauce de arenas) o detrítico (cauce de gravas). La ingeniería fluvial ha de colaborar con otras disciplinas (geografía, geología, biología,...) si quiere seguir influyendo en las decisiones que se tomen sobre los ríos. La ingeniería fluvial sufre los inconvenientes de su tradición empírica y particularista. Pero también de la falta de documentación, información e investigación de nuestros ríos. Por ejemplo, las medidas de transporte sólido no forman parte de nuestras redes hidrométricas; la granulometría de los lechos podría ser una información ya establecida con precisión; las erosiones fluviales no son objeto de atención pese a la gravedad de sus efectos.
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2.1 Introducción En este capítulo se presentan algunos conceptos y elementos de análisis de la hidráulica fluvial, referentes principalmente a la mecánica del transporte de sedimentos. El movimiento del agua, por su parte, se supone conocido a través de la hidráulica: así el movimiento uniforme y gradualmente variado en lámina libre, su distribución de tensiones y velocidades, etc. Se han seleccionado, del gran caudal de conocimientos en mecánica del transporte de sedimentos, aquéllos de más importancia conceptual y práctica para la ingeniería fluvial. Sin estas bases la ingeniería fluvial se reduciría a mero empirismo.
2.2 Granulometría Los lechos de los ríos pueden ser granulares o cohesivos. En el primer caso, el lecho está constituido por partículas sueltas de distintos tamaños. Los ríos aluviales son aquellos que discurren sobre materiales transportados por el propio río en el pasado geológico y por ello sus lechos suelen ser granulares. Un río puede tener también un cauce abierto en roca o materiales cohesivos; no por eso su contorno es fijo o inamovible pero las modificaciones del cauce serán muy lentas debido a la mayor resistencia a la erosión. Tras una erosión del fondo, un lecho cohesivo se puede restablecer en su fondo original, pero ya no como cohesivo sino como granular, y en esto se diferencia de los lechos granulares. La Hidráulica Fluvial relativa a lechos cohesivos está todavía en sus principios. La propiedad individual de las partículas de un lecho granular que más importancia tiene en hidráulica fluvial es el peso. Los cauces naturales están formados por partículas de rocas y minerales cuyo peso específico tiene poca variación. El valor medio es γs=2,65 T/m3 o bien el peso específico relativo es γs/γ= 2,65. Gracias a ello, la propiedad de más importancia pasa a ser el tamaño, como representación del volumen de la partícula. Como tamaño se entiende la dimensión del eje b de un elipsoide al que se puede asimilar una partícula (fig. 2.1). Obsérvese que b es la dimensión decisiva para que una partícula pase o sea retenida por un cedazo. La manera más común de analizar la distribución de tamaños en el lecho (o granulometría) es tamizar una muestra y pesar la fracción que pasa cada tamiz pero es retenido en el siguiente. La representación gráfica de estas fracciones en un histograma es una versión discreta, en clases de tamaños, de una función de densidad de probabilidad de los tamaños (fig.2.2). La gráfica acumulada
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donde se representa la fracción (o tanto por ciento) en peso menor que un tamaño determinado, se obtiene sumando los pesos de todas las clases inferiores. Esta curva es una versión discreta de la función de distribución acumulada de la variable tamaño D (fig.2.2).
Fig. 2.1. Ejes imaginarios de una partícula.
Fig. 2.2 Distribución discreta o continua de tamaños (izquierda) y curva granulométrica (acumulada) continua (derecha). En esta última representación, conocida también como curva granulométrica, se entiende la nomenclatura empleada para designar un tamaño: Dn es el tamaño tal que el n% del peso del material es menor que él. Con esta nomenclatura, si n1>n2 entonces Dn1 > Dn2. O también, por ejemplo, D90 significa un tamaño grande o la parte gruesa del material, mientras D10 significa un tamaño pequeño o la parte fina del material (fig.2.2). Pensando en términos estadísticos, interesa caracterizar la distribución granulométrica o de tamaños por unas medidas de posición y de dispersión. A partir de una muestra, si Di es el centro de clase y ∆ i la fracción unitaria de peso en la clase (fig.2.2), la
medida de posición media aritmética se llama diámetro medio Dm = ∑ Di ∆ i y la medida de dispersión
más importante es la desviación típica σ = ∑ ∆ i (Di − D m) . Se emplea mucho D50, tamaño que es la mediana de la distribución, en ocasiones como sustituto del diámetro medio. También se emplea mucho como medida de dispersión el parámetro σ = D84 / D16 . Éste último proviene de considerar que la distribución granulométrica es log-normal, es decir que el logaritmo de los tamaños D se distribuye normalmente. Entonces se cumple logD84-logD16=2σ de donde se deduce la definición anterior (C1). 2
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Las partículas menores que 0,004 mm se llaman arcilla. Entre 0,004 mm y 0,062 mm se llaman limos. Entre 0,062 mm y 2,0 mm se llaman arenas. Entre 2,0 mm. y 64 mm se llaman gravas. De ahí en adelante, la terminología castellana no parece completamente establecida, pero podría llamarse cantos a los elementos hasta 25,6 cm y bolos de ahí en adelante. Muchos ingenieros emplean la palabra acarreos para referirse a las partículas grandes. En un sentido parecido se usan las palabras arrastres y aluviones o bien materiales de aluvión. La palabra sedimento designa colectivamente el material de un lecho(1). Los lechos granulares están frecuentemente compuestos de una mezcla de tamaños desde fino hasta gruesos. Si la desviación típica granulométrica es σ>3 se dice que una granulometría es extendida o que el material es bien graduado. Si por el contrario, σ
