sedimentacin

sedimentacinHIDROLOGA

INTRODUCCINLos grandes desarrollos hidroenergticos que se programan en el pas, as como las estructuras hidrulicas que hay que construir en el inmediato futuro, exigen una evaluacin previa de su factibilidad tcnica y econmica, dadas las grandes sumas de dinero que hay que invertir en ellas, adems del carcter de endeudamiento externo que estas inversiones conllevan.Con base en esta exigencia, el anlisis del transporte de sedimentos de los ros y hoyas hidrolgicas, ha adquirido una importancia capital, pues determina la vida econmica de las obras.El transporte de sedimentos es un fenmeno complejo que responde a dos funciones, una que representa las caractersticas de la hoya y otra las del ro; una de las funciones indica la cantidad, naturaleza y propiedades fsicas de los materiales disponibles para el transporte, y la otra, la capacidad del sistema hidrulico para hacerlo.Esta complejidad hace que el problema del transporte de sedimentos sea imposible de resolver por la aplicacin simple de la teora de la mecnica de los fluidos. La presencia de partculas en el flujo altera el comportamiento hidrulico muchas veces motivado por la presencia de elementos artificiales, como son apoyos de puentes o estructuras hidrulicas, que hacen que se rompa el equilibrio del flujo[footnoteRef:1]. [1: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/transportesedimentos/transpoertesedimentos.html]

OBJETIVOSOBJETIVO PRINCIPAL

Realizar un estudio sobre la Sedimentacin

OBJETIVOS ESPECFICOS Estudiar las caractersticas de los sedimentos Determinar los movimientos de los sedimentos Describir acerca de los sedimentos en suspensin

MARCO TEORICO

ASPECTOS GENERALES1. Los SedimentosLas partculas de origen mineral u orgnico arrastradas por un fluido consecuencia de la erosin, ya sea por el impacto del agua precipitada (lluvia) o por la accin abrasiva de su movimiento (lminas de agua o aguas confinadas).Los problemas relacionados con la gnesis as como la dinmica de los sedimentos (transporte, deposicin) son muy complejos, consecuencia de los numerosos y cambiantes factores que intervienes: hidrolgicos, geolgicos, fisiogrficos, climticos, hidrulicos, etc. De all que tanto el origen, cuanta, cronologa y movimiento son de difcil determinacin con aproximacin satisfactoria.Aun cuando el agente ms importante de los procesos genticos es el agua, contribuyen, en diferente medida, el viento y el intemperismo[footnoteRef:2]. En el transporte el factor ms importante es el agua. La fase del fenmeno que interesa a la Hidrologa corresponde al comportamiento conjunto de agua y partculas y presenta una variedad de formas, en funcin de condicionantes procedentes de las partculas en s mismas (tamao, peso, forma, distribucin) o de la masa de agua que las contienen (caudal, velocidad, turbulencia, etc.) [2: Proceso de transformacin qumica de las rocas]

Los sedimentos de gran tamao, arrastrados por corrientes muy rpidas, pueden causar serios y violentos daos en los lugares por donde discurren y/o en las estructuras hidrulicas (barrajes, encauzamientos, etc.) u otras que queden a su alcance. Los elementos finos contenidos en el agua en gran cantidad (huaicos, llapanas, ros de fango) pueden ser alternativamente, beneficiosos (mejoras de suelos, formacin de los mismos, etc.) o dainos (cauces colmatados, daos en turbinas, bombas)El volumen de sedimentos contenidos por uno de agua en movimiento, vara grandemente. En la poca de creciente todos los ros llevan fuerte proporcin de slidos. Esto es especialmente notorio en los ros costeos, de fuerte pendiente, que descienden de los andes. Los de la selva de suave pendiente, arrastran sedimentos finos, provenientes de los afluentes serranos que drenan cuencas altamente erosionables. En algunos casos se presentan, espordicamente, como ros de fango (huaicos, llana panas, etc.) es decir con altsimo contenido de slidos. Se ha observado contenidos slidos superiores al 40% del peso combinado de agua y partculas, llegndose hasta 50 y 55%. Los expertos consideran que en estos casos, el agua actuara como un lubricante entre las partculas, favoreciendo su movimiento.

2. Caractersticas de los movimientos2.1. TamaoLas partculas slidas, arrastradas por las aguas, tienen tamaos muy variados. Desde el punto de vista la ingeniera se considera como tales desde grandes piedras y pedrones[footnoteRef:3] hasta limos (menos de 0.002 mm). Los ros peruanos cuyos cauces son, como regla general (excepto los de la selva) muy pendientes pueden arrastrar, en las crecidas pedrones de gran dimetro y varias toneladas de peso. [3: Piedras de mayor tamao]

El tamao de las partculas tiene mucho inters para la ingeniera, cualquiera sea su magnitud. Y es porque los grandes tamaos grandes tamaos afectan a las estructuras superficiales (tomas, diques, puentes, etc.) y los pequeos producen daos en canales, tuberas, bombas, filtros, etc.

2.2. FormaNo es posible hacer una referencia a una forma estndar pues la variacin es muy grande entre formas laminares, redondeadas y angulares y sub-angulares. El mayor grado de redondeamiento expresa un mayor recorrido de los sedimentos y tambin la menor resistencia (dureza) al desgaste. Las formas laminares responden a clivajes especficos propios de rocas duras.

2.3. Dimensiones La necesidad de estandarizar criterios relacionados con el tamao y forma de las partculas ha dado lugar a definiciones relacionadas con el dimetro de las mismas:a. Dimetro nominal.- es el dimetro de una esfera cuyo volumen sera igual al de la partcula. Los valores correspondientes a ste criterio son difciles de determinar y, en consecuencia, es poco utilizado. b. Dimetro de Zaranda o de Cribado.- corresponde al menor espacio (dimetro) de la abertura de la zaranda por la cual pasa la partcula. Es la medida ms usada por su fcil determinacin. Hay zarandas capaces de medir dimetros tan pequeos como 0.1 mm = 100 micrones. Los dimetros ms pequeos son apreciados en funcin de las velocidades de cada de las partculas en un fluido (generalmente agua).c. Dimetro de asentamiento.- se admite como tal el dimetro de una esfera cuyo peso sea igual al de la partcula cuya velocidad de cada sea igual en el mismo fluido.

3. Composicin y Procedencia Los sedimentos provienen, en gran proporcin, de los minerales. Aquellos que provienen de elementos orgnicos tienen poca significancia en proyectos de ingeniera, salvo el caso de obras sanitarias. En hidrologa se hace referencia, casi exclusiva, a los de origen mineral, es decir, aquellos que provienen de rocas y suelos erosionados y son transportados por el agua.Las partculas gruesas (piedras, gravas, arenas) conservan su composicin (en casos especficos) que es la misma que la de la roca madre de la cual provienen. Los detritos, elementos finos, son composicin simple, como en caso general, y homognea. Resultan de procesos mecnicos reiterativos.Algunos detritos pueden estar sometidos a procesos qumicos previos por accin, por ejemplo, de cidos contenidos en el agua (humus, HCO2, etc.) o que se disuelven en ella. Los silicatos (SiO2), como el cuarzo por ejemplo, son muy estables y conservan su identidad cualquiera sea el tamao de la partcula, siendo adems de gran dureza. Otros silicatos, como los feldespatos, micas, hornablenda, etc. Se convierten en arcillas, es decir, en elementos cohesivos. Las partculas calcreas se deshacen rpidamente, por abrasin, y tambin se disuelven en el agua, su vida es corta. 4. MOVIMIENTO DE LOS SEDIMENTOS 4.1. General El factor fundamental, que ocasiona no solo la gnesis sino el movimiento de los sedimentos es el agua. El agua, tanto en movimiento laminar como en el confinado, transporta las partculas segn las leyes naturales complejas y de difcil anlisis. Al moverse el agua, la energa potencial convertida en cintica es consumida, en parte, por el transporte de las partculas y se va reduciendo en proporcin directa con la masa slida en movimiento. Como consecuencia de esto, el lmite superior de la capacidad de transporte, de la masa de agua en movimientos, es funcin directa de desniveles y trayectorias (gradientes y velocidades) y tambin de la cantidad de slidos disponibles para su transportacin. Rendimientos de SedimentosEste concepto surge como consecuencia de los anteriores y corresponde a la relacin entre volumen transportado y volumen erosionado, en una cuenca dada. ste ltimo es de la masa disponible para ser transportada.Ambos, disponible y transportado, dependen de varios factores: geologa local, relieve, intemperismo, clima, etc. Y por ello es variable de un punto a otro de una cuenca y diferentes para cuencas diferentes. Volumen TransportableLa cantidad de sedimentos susceptibles de transportacin incluyendo la carga de fondo, depende de la gravedad especfica de las partculas, su composicin mecnica y su forma. Se han efectuado experiencias que demuestran, como regla general, que la unidad de carga de fondo es proporcional al cuadrado de la gradiente hidrulica. Tambin que el caudal (Q), cuando est ocurriendo el transporte es diferente del que ocasion el movimiento del material (Qo) al inicio del proceso.Desde que, en el caso de un cauce natural, el rea y en especial el ancho, de la seccin es variable e imprevisible, pues la composicin mecnica de los suelos cambia constantemente entre amplios lmites y tambin los caudales que por el discurren, resulta muy difcil determinar la magnitud de la carga de fondo. A esto se agrega la dificultad de definir el aporte de detritos y medir con precisin la gradiente a lo largo de la trayectoria del cauce, de donde, solo es posible una estimacin, ms o menos, razonable.4.2. Fuerzas de Remocin y transporte del aguaLas partculas, que forman el lecho de un cauce por donde discurre el agua se mantiene en su lugar, es decir, en equilibrio cuando la fuerza de remocin del agua es igual (o menor) que la que genera la friccin (cohesin) entre partculas.El peso de la masa de agua que se desplaza por el cauce tiene dos componentes: (1) perpendicular a la superficie del cauce y que no acta para los efectos del movimiento del agua y (2) una fuerza horizontal que obliga al movimiento, es decir, la fuerza de traslacin. La gradiente dl cauce define el ngulo de las componentes entre si y con la resultante.

Si:W: peso del agua del tramo de canal. (K)w: peso especfico del agua (Km/m3)A: rea promedio de la seccin transversal del cauce (m2)P: permetro mojado de esa seccin (m)L: longitud del tramo considerado (m)S: pendiente longitudinal de cauce. Corresponde, a la tangente del ngulo a. Como las gradientes son, en general muy reducidas, para fines prcticos la tangente y el seno del ngulo con la horizontal, son iguales. Se puede tomar en ste caso, indiferentemente la tangente o el seno.Se tendr entonces: Y tambin : FUERZAS QUE ACTAN SOBRE LA PARTCULA

sta fuerza To trabaja para desprender las partculas slidas y acta hacia aguas abajo. Se opone a esa accin, tratando de mantener a las partculas en su lugar, una fuerza T debida a la friccin.Si:K: coeficiente de friccin entre partculas del lecho del cauce (K/m2)Se tendr a partir de la anterior:

La fuerza de traccin To es igual, pero de signo contrario a la de la friccin, es decir, acta hacia aguas abajo. Llamando T a dicha fuerza anti-friccin, de la expresin anterior.

Siendo R: radio hidrulicoLa expresin anterior define el punto de equilibrio. Para valores menores de T habr estabilidad y conforme aumenta, por encima de este valor, ser cada vez mayor la remocin de partculas. De la misma expresin resulta que la variacin de T responde, en especial, a variaciones de la gradiente. Fuerza Lmite de RemocinLa fuerza lmite de traccin o remocin es siempre mayor que el valor terico expresado por la frmula anterior. La observacin directa de los procesos de erosin han permitido establecer que, si To es el valor lmite:

Como caso ms general. Por supuesto que este valor depende grandemente de las caractersticas fsicas del cauce: textura y estructura de los suelos, problemas especficos de cohesin entre partculas como ocurre, por ejemplo, con las arcillas que pese a su minsculo tamao son muy difciles de desagregar como se observar en el siguiente cuadro. Fuerza de TransporteEl valor menor de sta fuerza corresponde a aquella que permite la iniciacin del proceso de asentamiento de partculas y su magnitud, es siempre menor que al lmitede remocin To, vara entre 1.0 y 1.4 T, diferencia que es cada vez menor cuanto mayor es la cohesin entre ellas.FUERZA LMITE DE REMOCINTo en Kg/m2

MATERIALUnidadTAMAOTo

Arena cuarzosa, ordinariaMm0.4 1.000.25 0.30

id. id.mm 0.2 0.4 0.18 0.20

id. id.2.00.40

Gravas cuarzosas, redondascm 0.5 1.51.25

Suelos arcillosos1.00 1.20

Pedruscos cuarzososcm 4.0 5.04.80

Partculas calcreas chatas, 1-2 cm, de espesor y 4-6 cm de largo5.60

Diversos investigadores han propuesto frmulas empricas para determinar la magnitud de la fuerza de remocin. He aqu algunas de ellas.AUTOREXPRESIN

TE YUN LIUTo = 45.7 do

H. KRAMERTo = 16.6 do(u-w)/M

id. modificada To = 29 do(u-w)/M

E. W. LANETo = 0.081, d75

Donde:To: fuerza de traccin crtica (gr/cm2)do : dimetro promedio de las partculas (mm)u, w: peso especfico de la partcula y del agua respectivamente.M: coeficiente de uniformidad = Fa/Fb. Fa: rea de partculas por debajo del dimetro promedio (dm). Fb id. de aquellas por encima del mismo. Estos datos se obtienen de la curva granulomtrica.4.3. Tipos de MovimientoSe considera generalmente dos tipos de movimiento de los sedimentos en el agua. En todo caso stos movimientos expresan la relacin entre peso de las partculas y fuerza de transporte de agua y en consecuencia, un mismo sedimento puede estar, alternativamente, inmerso en ambos casos, en funcin de las variaciones de dicha fuerza. Sedimentos de FondoYa sea por razn del propio peso de los grnulos o porque inician su movimiento stos se mueven a lo largo del fondo ya sea muy cerca de l o siguiendo una trayectoria ondulante (a saltos). La presencia de filetes lquidos de trayectorias hacia arriba (turbulencia, conveccin, ondulacin) conjugada con el peso de la partcula determina este movimiento. Lo mismo ocurre en los primeros tramos del movimiento de una partcula al ser removida.

Sedimentos en suspensinLas partculas que por su tamao y peso se mantienen en la masa lquida, alejadas del fondo, son los materiales en suspensin. Las trayectorias de stos elementos se amoldan a las de los filetes lquidos obedeciendo las relaciones peso velocidad. Es de particular inters para ciertos proyectos de ingeniera de obras sanitarias, hidroelctricas, operacin de canales, etc.5. SEDIMENTOS O CARGAS DE FONDO DETRITOS 5.1. GENERAL Las partculas que se mueven en trayectorias a lo largo del fondo de la corriente transportadora: deslizndose, rodando, saltando, es decir, en contacto con el cauce ya sea en forma constante o interrumpida para pequeos intervalos de tiempo, son los detritos, sedimentos de fondo o carga de fondo.El deslizamiento de los grnulos tiene lugar cuando no hay fluctuaciones de velocidad y de direccin de los filetes lquidos o estas fluctuaciones son muy suaves. La forma achatada de las partculas laminares coadyuva a este fenmeno, las partculas redondeadas ruedan en tal caso. Los deslizamientos a saltos de los detritos obedecen a la velocidades fluctuantes y trayectorias cambiantes, turbulencias y similares que obligan a los grnulos a apartarse momentneamente del fondo, volviendo a este por razn de su peso 5.2. PUESTA EN MOVIMIENTO Resumiendo conceptos previos, la puesta en marcha de las partculas resulta de la accin de varios factores contra-puestos: peso, tamao, friccin o cohesin de las partculas que se ponen al movimiento y la magnitud de la velocidad del agua que trabaja para removerlas y trasportarlas. De aqu resulta que el impacto o choque del agua (por razn de su velocidad) contra el detrito determina la posibilidad de su movimiento.Para que la partcula se mueva la fuerza de ese choqu debe de ser, cuando menos, igual al peso de la partcula sumergida, situacin que queda expresada as:

Donde: = velocidad causante del impacto. El valor menor de ella, para producir movimiento, es la velocidad crtica. = gravedad = dimetro de las partculas = peso especfico del agua = peso especfico de la partcula La velocidad del agua es el factor ms fcil de medir, en especial, la velocidad media de la masa de agua y por ello se ha tratado de relacionar la anterior velocidad crtica de impacto, que ocurre muy1 cerca del fondo y adems indeterminada, con ella estableciendo una relacin prctica. Desde que, para un caso especfico, los factores que intervienen en el proceso permanecen constantes en especial las velocidades media y critica a la ley que rige este fenmeno se llama, indiferentemente, la ley de las velocidades criticas constantes o de las fuerzas de traccin criticas constantes.5.2.1 Velocidad Crtica de Fondo En el captulo anterior se ha tratado de la fuerza de remocin necesaria para remover las partculas e iniciar el transporte de ella. Interesa, por consiguiente, determinar la magnitud de la velocidad del agua capaz de generarla. Se ha mencionado tambin que es posible determinar, con facilidad, las velocidades de los filetes lquidos de la ms alejada del fondo pero que no es posible establecer las velocidades de filete de fondo pues ofrecen muchos aspectos de incertidumbre. Los valores deducidos a partir del perfil de velocidades son poco confiables y no hay mtodo alguno que permita la mensura directa. Para superar este problema se ha propuesto la siguiente explicacin que, en teora, lo resuelve. En condicin crtica se supones que hay una capa de sedimentos, en el fondo del cauce, que ya est en movimiento y que, por consiguiente, la magnitud de la velocidad del filete liquido en el contacto mismo se esos sedimentos en movimiento y la capa inmediata inferior que est casi o en inminente situacin de moverse, corresponder a la velocidad critica de fondo.En el contacto entre las capas de sedimentos, una casi en movimientos y la sub-yacente, que no recibe empuje alguno del agua.

Partculas en movimiento

5.2.2 VELOCIDAD CRTICA DE FONDO (Vcf) Y VELOCIDAD MEDIA CRTICA (Vc)En movimiento, las velocidades decrecen muy rpidamente entre la crtica de fondo cero. El cero tendr lugar en la interseccin del fondo inmvil con la vertical del perfil de velocidades. Segn indicaran las investigaciones de H.A. Einstein, la capa de fondo casi en movimiento, tendra un espesor igual al doble del dimetro de las partculas. Para determinar estas velocidades de fondo se ha propuesto varias expresiones, algunas de las cuales son estas:AUTOR EXPRESIN- F.T.MAVIS -C.H.YEN -UNIV. DE BUDAPEST

= 0.1 para 0.1 > < 1.0 0.43 para 1.0 > < 1.0 0.47 para 1.0 >