Caracterizacin desedimentos

Gary Parker Sediment Transport MorphodynamicsMedicin de Sedimentos en Ros Aluviales - Prof. Em. Ing. J.J. Peters

2DENSIDAD DEL SEDIMENTO

Definiciones: = densidad del aguas = densidad del material del sedimentos = s/ = gravedad especifica del sedimentoR = (s/) 1 = gravedad especfica sumergida del sedimento

La densidad por defecto del sedimento es la del cuarzo, i.e. 2.65 gr/cm3,que es equivalente a una s = 2.65 y R = 1.65.

Otros tipos de rocas comunes son el basalto (s ~ 2.7 ~ 2.9) , la piedracaliza(limestone) (s ~ 2.6 ~ 2.8). El sedimento volcnico generalmentetiene vugs (poros grandes), que reducen su gravedad especfica efectivaa valores ms bajos (como 2.0; en el caso de la piedra pmez (pumice) elvalor puede ser menor que 1). Las rocas que contienen minerales pesadoscomo la magnetita pueden tener gravedades especficas entre 3 ~ 5.

En el laboratorio, es comn usar modelos de sedimentos ms ligeros, comocscaras de nueces trituradas(s ~ 1.4), carbn triturado(s ~ 1.3 ~ 1.5) ypartculas de plstico (s ~ 1 ~ 2).

3VELOCIDAD DE CADA DE SEDIMENTO EN AGUA QUIETA

Dv,cc,v2Dc21F svpvpDD2s2

DD ReRe

3

g 2DRg

34F

Asumiendo una partcula esfrica con dimetro D yvelocidad de cada vs.

La fuerza impulsora aguas debajo de la gravedad Fg esigual a:

La Fuerza resistiva de arrastre es igual a:

Condicin de equilibrio:

Dg FF

, donde es la viscosidad cinemtica del agua y cD esespecificado por la curva emprica de arrastre parapartculas esfricas.

DF

gF

2/1

vpDf ])(c3

4[Re

R wheregD

vsf RR

Significa que cD es una funcin de Revp

CARACTERIZACIN DEL SEDIMENTO Y DISTRIBUCIONES DEL TAMAODE GRANO

El dimetro del sedimento se denota por D, el parmetro tiene la dimensin [L].

Dado que las partculas de sedimento son difcilmente precisamente esfricas,la nocin de dimetro requiere de cierta elaboracin. Para partculas losuficientemente gruesas, el dimetro D se define generalmente como ladimensin de la abertura cuadrada ms pequea a travs de la cual la partculaes capaz de pasar. Para partculas ms finas, el dimetro D generalmentedenota el dimetro de la esfera equivalente con la misma velocidad de cada vs[L/T] de la partcula real.

El tamao del grano se especifica en trminos de una escala logartmica debase 2(escala phi o psi), definida como:

,donde D est dado en mm.

22D)2(n)D(n)D(og2

EVALUACIONES DE LA MUESTRA DE AND

SAMPLE EVALUATIONS OF AND

22D

D (mm) 4 2 -2

2 1 -1

1 0 0

0.5 -1 1

0.25 -2 2

0.125 -3 3

)2(n)D(n)D(og2

RANGOS DE TAMAOS DE SEDIMENTOS

Tipo D (mm) NotasArcilla < 0.002 < -9 > 9 Usualmente

cohesivosLimo 0.002 ~ 0.0625 -9 ~ -4 4 ~ 9 Cohesivos ~ no-

cohesivosArena 0.0625 ~ 2 -4 ~ 1 -1 ~ 4 No-cohesivos

Grava 2 ~ 64 1 ~ 6 -6 ~ -1

Guijarros 64 ~ 256 6 ~ 8 -8 ~ -6

Cantosrodados

> 256 > 8 < -8

Minerales arcillosos como la esmectita, montmorillonita y la bentonita soncohesivos,es decir, se caracterizan por presentar fuerzas electromagnticasque causan que se peguen y permanezcan unidos. An partculas del tamaode limos que no son parte del mineral arcilloso generalmente muestran algo decohesin debido a la formacin de biofilm.

PORQU CARACTERIZAR LAS DISTRIBUCIONES DE TAMAO DE GRANO ENTRMINOS DE UN TAMAO DE GRANO LOGARTMICO?

Considrese una muestra de sedimentos que es mitad arena y mitad grava,oscilando uniformemente desde 0.0625 mm a 64 mm. Si el grfico del tamao degrano se realiza en una escala logartmica, la muestra se ve adecuadamente mitadgrava y mitad arena; mientras que si se utiliza una escala lineal, toda la informacinde la mitad que corresponde a la arena es estrechada en una pequea zona dellado izquierdo del diagrama.

Grain Size Distribution: Half Sand, Half Gravel0.0625 mm ~ 64 mm, Logarithmic Scale

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.01 0.1 1 10 100

D mm

Perc

ent F

iner sand gravel

Grain Size Distribution: Half Sand, Half Gravel0.0625 ~ 64 mm, linear scale

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70

D mm

Perc

ent F

iner

sand

gravel

Escala Logartmica parael tamao de grano

Escala Lineal para eltamao de grano

DISTRIBUCIONES DE TAMAO DE GRANO UNIMODALES Y BIMODALES

Las fracciones fi(i) representan una versin discretizada de la funcin continuaf(), donde f denota la fraccin de masa de una muestra que es ms fina que eltamao . La densidad de probabilidad pf de tamao est entonces dada porp = df/d.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4 -3 -2 -1 0 1 2

f()

p()

La curva de la izquierdacorresponde a una distribucinGaussiana (Normal) con = -1(Dg = 0.5 mm) y = 0.8 (g =1.74):

2

21exp

21p

La distribucin de tamao degrano se denomina unimodalporque la funcin p() tiene unnico pico o moda.

Las siguientes aproximaciones son vlidaspara la distribucin Normal:

16

84g1684g D

D,DDD

Un ro de lecho de arenas tiene untamao caracterstico del sedimento dela superficie del lecho (D50 or Dg) queest en el rango de las arenas.

Un ro de lecho en gravas tiene untamao caracterstico de lecho que esten el rango de las gravas o un materialms grueso.

Las distribuciones de tamao de granode la mayora de corrientes de lecho enarena son unimodales, y pueden engeneral aproximarse utilizando unafuncin Gaussiana.

Sin embargo, mucgos ros de grava,muestran distribuciones de tamao degrano bimodales. Dichas corrientesmuestran una moda de arena y unamoda de gravas, generalmente con unaescasez de sedimento en el tamao degravas entre 2 ~ 8 mm.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4 -2 0 2 4 6 8 10

f()

p()

Moda delas Arenas Moda de las Gravas

Una distribucin bimodal (multimodal)puede reconocerse en un grfico de fversus en trminos de una meseta(o mltiples) mesetas donde f noaumenta fuertemente con elincremento fuerte de .

Meseta

DISTRIBUCIONES DE TAMAO DE GRANO UNIMODALES Y BIMODALES

10

CLASIFICACIN VERTICAL DEL SEDIMENTO (SORTING)

Los ros de lecho en gravas generalmentemuestran una superficie gruesa deacorazamiento o pavimento. Las corrientes delecho en arenas con dunas (Ver Figura),generalmente muestran su sedimento msgrueso en la capa que corresponde a la basede las dunas.

Sorting en un canal de laboratorio.Imagen cortesa de A. Blom.

River Wharfe, U.K.Imagen cortesa de D. Powell.

Medicin de sedimentos

Produccin de sedimentos; cuantificacin y correccin de los procesos - SANTIAGO DE CHILE -18 y 19 de noviembre de 2009, Campus Santiago, Universidad de Talca Rafael Val Segura

Notas de Curso Ana Cecilia Arbelez, UNICAUCA

MEDICIN DE LA CARGA DE SEDIMENTOS EN EL LECHO

La carga de sedimento del lecho es difcil de medir por variasrazones:

- Cualquier aparato colocado en el lecho o en su vecindadperturbar el flujo y por lo tanto la tasa del movimiento delsedimento.- La medida de la carga de fondo puede no ser representativade toda la seccin del canal, puesto que la velocidad y elmovimiento del sedimento varan en espacio y tiempo.- Es difcil distinguir entre la carga de sedimentos del fondoen movimiento y el sedimento que se queda quieto.- Es difcil disear un aparato que recolecte todos los tamaosde granos que hay en el fondo, especialmente cuando varanmucho en tamao.

La variacin vertical del tamao de los sedimentos en el lecho del ro semanifiesta generalmente por la presencia de tres capas distintas:

i) una capa superficial de material grueso, denominada comnmentecapa de armadura, con un espesor aproximadamente igual al D90 (Diplas, 1992)

ii) una capa subsuperficial, generalmente conformada por sedimentos ms finosque los de la capa superficial, con un espesor cercano a 2D90 (de su propiadistribucin granulomtrica)

iii) una capa del fondo sin un espesor predeterminado (Diplas y Fripp,1992) ycompuesta por sedimentos de tamaos similares a los de la capa subsuperficialpero con menor contenido de finos (Church,1987)

Muestreo de sedimentos

A. Muestreo volumtrico: se toma un volumen o masa desedimentos de una determinada capa o estrato del fondo del ro.

B. Muestreo superficial: se colecta un determinado nmero departculas o sedimentos de la superficie del lecho (capa superficial)en un rea determinada

- B1 Muestreo del reaMuestreo por adhesinMuestreo fotogrficoMuestreo manual

- B2 Muestreo de malla-B3 Muestreo de transectos

Anlisis de frecuenciaFrecuencia por pesoFrecuencia por nmero

Muestreadores de Sedimentos