INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA FLUVIAL PDF

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INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL Arturo Rocha INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Primera Edición Noviembre 1998 Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería Av. Túpac Amaru 210 Rímac Telefax 4819845 Derechos Re...

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INTRODUCCION A LA

HIDRAULICA FLUVIAL

Arturo Rocha

INTRODUCCION A LA

HIDRAULICA FLUVIAL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

Primera Edición

Noviembre 1998

Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería Av. Túpac Amaru 210 Rímac Telefax 4819845 Derechos Reservados® Prohibida la reproducción total o parcial de este libro por cualquier medio sin permiso expreso del autor Impreso en el Perú

PRESENTACION La Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería se complace en presentar el libro titulado “Introducción a la Hidráulica Fluvial”, el cual constituye un valioso aporte al desarrollo de la ingeniería en el país. Esta publicación se realiza dentro del programa de publicaciones técnicas de la facultad, la cual viene publicando libros en los diferentes campos de la ingeniería civil y cuyos autores son profesores de este centro de estudios. El Dr. ARTURO ROCHA FELICES, autor del libro, profesor Emérito de la Universidad Nacional de Ingeniería, es un profesional de gran prestigio, con una amplia experiencia en el campo de la ingeniería hidráulica, autor de más de 50 publicaciones sobre temas hidráulicos entre ellas “Transporte de Sedimentos Aplicada al Diseño de Estructuras Hidráulicas”, “Recursos Hidráulicos”, “Agua para Lima en el Siglo XXI”. La característica fundamental de la producción bibliográfica del autor son: claridad en el lenguaje, estructuración didáctica de la obra, claros objetivos y sobre todo, aplicaciones prácticas muy precisas a la realidad nacional. Este libro será de suma utilidad para el Ingeniero Hidráulico, dada la diversa gama de regímenes fluviales que se encuentran en el Perú, donde la mayoría de sus ríos son jóvenes faltando aún por desarrollar muchos proyectos de ingeniería hidráulica. La Facultad de Ingeniería Civil agradece al Dr. Arturo Rocha Felices por su aporte, al hacer realidad la publicación de este excelente libro. Ing. Roberto Morales Morales Decano de la Facultad de Ingeniería Civil UNI

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PROLOGO La literatura técnica en nuestro país es escasa, y en particular en temas como el tratado en esta publicación “Introducción a la Hidráulica Fluvial” que viene a llenar un gran vacío. Arturo Rocha con su capacidad didáctica, no sólo nos transmite aspectos desde el punto teórico, sino que nos ilustra con su experiencia vivida en el que hacer de los proyectos hidráulicos y nos da recomendaciones que los lectores sabrán apreciar y aplicar. En el Capítulo 1 “Introducción”, nos informa sobre lo que representa la escorrentía a nivel mundial, y en particular en el Perú, y nos invoca a la comprensión de la importancia de su correcto manejo y a la necesaria participación de la ingeniería para su racional y económica utilización. Para compenetrarnos con el tema describe los efectos de las obras hidráulicas en las condiciones naturales de la escorrentía de los ríos y nos presenta argumentos que nos deben conducir a ser conscientes de la necesidad que tenemos de defendernos contra sus efectos, así como de proteger a los cursos de agua contra la agresión humana. Esto se complementa con el ejemplo de la relación río-ciudad, y en particular del río Rímac con la ciudad de Lima, brindándonos su aporte, a través de sus comentarios para lograr un mejor manejo de los recursos. En el Capítulo 2, trata el tema “Erosión de Cuencas” con gran simpleza y claridad y describe los efectos que la degradación de cuencas puede introducir en las condiciones originales de escorrentía. Insta a tomar acciones correctivas en los casos generados por el hombre o la naturaleza, que conduzcan a detener o revertir los mismos.

vii

En el Capítulo 3 “Movilidad Fluvial”, luego de las definiciones, entra a la descripción de este fenómeno bajo las diversas condiciones que se presentan en la naturaleza, y a la clasificación de los ríos. Completa el capítulo con referencias históricas sobre fenómenos de inestabilidad en los ríos del Perú y del mundo, relacionándolos con estudios y obras en que participó como Ingeniero. En los Capítulos 4 a 8 presenta aspectos teóricos fundamentales para analizar el fenómeno de la mecánica fluvial como son: -

La Hidráulica de los Conductos Abiertos.

-

El Estudio del Transporte de Sedimentos.

-

El Fondo Móvil, con la descripción clara de los conceptos de inicio del movimiento, fases del transporte sólido, fórmulas y condiciones que pueden presentarse durante el desarrollo del fenómeno de arrastre de sedimentos.

-

El Gasto Sólido de Fondo, con la metodología y fórmulas más utilizadas.

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Los conceptos básicos del Gasto Sólido en Suspensión, incluyendo recomendaciones prácticas para las mediciones, mediante muestreos sistemáticos y secuenciales, producto de la invalorable experiencia del autor.

Quiero destacar una afirmación que Arturo Rocha hace en el Capítulo 7 y que todos los Ingenieros debemos tener siempre presente: “… las fórmulas no son buenas ni malas, el bueno o el malo es el Ingeniero que las usa …”. En el Capítulo 9 “Morfológica Fluvial”, destaca su recomendación sobre la necesidad del Ingeniero de tomar conciencia de lo que va a hacer o de lo que hace, es decir que conozca con anticipación la reacción del río contra la obra que ejecuta, en las diversas condiciones que se podrían presentar durante la vida útil del proyecto, complementando el capítulo con definiciones y principios básicos, a ser tomados en cuenta por los Ingenieros en sus diseños y obras. viii

En el Capítulo 10 “Erosión de Cauces Aluviales” y en el Capítulo 11 “Sedimentación de Embalses”, presenta la mecánica de estos fenómenos y presenta ejemplos prácticos relacionados con obras realizadas en el Perú, fruto de su experiencia personal, que considero los lectores sabrán apreciar y valorar. Finalmente en el Capítulo 12 “Modelos Fluviales”, presenta los aspectos teóricos en los que se basa la representación a escala reducida de los fenómenos que pueden originarse en un río por causa del flujo natural o por la ejecución de obras. Considero que el autor de este punto proporciona los elementos suficientes para crear conciencia, entre los profesionales que intervienen en las actividades relacionadas al tema, sobre la ventaja que representa la ejecución de un modelo hidráulico para la correcta y eficiente ejecución de los estudios y obras. En resumen y como señalé al inicio del prólogo, Arturo Rocha no sólo llena un vacío en la información bibliográfica, sino que enriquece nuestros conocimientos con su generoso aporte, producto de su experiencia en los mayores proyectos de la Ingeniería Hidráulica del Perú y del mundo. Este esfuerzo y entrega considero será comprendido por los colegas que tendrán la oportunidad de leer esta publicación, a nombre de los cuales dejo constancia de mis felicitaciones y deseos para que continúe ilustrándonos con sus conocimientos a través de estos trabajos, que si lugar a dudas permitirán un mejor desarrollo de la Ingeniería Hidráulica Peruana. A la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, mi felicitación por este esfuerzo editorial que tengo la seguridad será debidamente apreciado por los colegas y estudiantes de la especialidad. Ing. Miguel Suazo G. Presidente del Comité Peruano de Grandes Presas ix

PALABRAS PRELIMINARES DEL AUTOR

La motivación de este libro tiene que buscarse en mi antiguo cariño y dedicación al estudio de los ríos. La necesidad de escribirlo y publicarlo nace del deseo de compartir mis vivencias e inquietudes en el apasionante mundo de los ríos. La historia del progreso de la humanidad gira en torno al aprovechamiento de los cursos de agua. En consecuencia, el conocimiento de los ríos resulta ser fundamental para lograr el desarrollo económico y el bienestar de la sociedad. Desde los más remotos orígenes, la ingeniería ha tenido un papel preponderante en esta tarea. En el Perú, que es la inspiración de este libro, los ríos constituyen un reto inagotable que el ingeniero debe afrontar cada día. En nuestro país se encuentra el 4,6% de los recursos hidráulicos superficiales de nuestro planeta. Sin embargo, la desigual distribución espacial y temporal del recurso crea enormes problemas para su aprovechamiento y control. A lo anterior debe añadirse la presencia cada vez más frecuente del Fenómeno de El Niño. Todo esto dentro de un creciente proceso de erosión de cuencas que trae consigo que nuestros ríos tengan un transporte sólido intenso, lo que dificulta y encarece enormemente su aprovechamiento. Los orígenes de este libro tendrán que ubicarse en las primeras experiencias de laboratorio con modelos hidráulicos de cauce móvil, que empezaron en el Perú en los años sesenta con la puesta en marcha del Laboratorio Nacional de Hidráulica. De entonces acá, el tema de los ríos ha constituido el centro de mi atención profesional y académica.

xi

Este libro es una introducción en el sentido que tiene esta palabra, de preparación para llegar a un fin. Pero, introducción significa también entrada y trato familiar e íntimo con alguien. El libro pretende ser una preparación, y en tal sentido es eminentemente propedéutico. Pretende también que el lector se familiarice con el complejo, y a veces desconcertante, comportamiento fluvial. Ha sido difícil elegir dentro de la diversidad de temas que ofrece la Hidráulica Fluvial, aquéllos que podrían resultar de mayor interés. Haber elegido implicó necesariamente haber dejado de lado muchos temas que hubiera podido incluir. Considero, sin embargo, que ha sido necesario incidir en los temas fundamentales dado su carácter formativo. En tal sentido, este libro no es un manual de diseño. Aspira más bien a ser una ayuda para quien desee iniciarse en el apasionante tema del estudio de los ríos, sea un estudiante de antegrado o postgrado, de ingeniería civil, agrícola, geológica o sanitaria, sin excluir por cierto a otras especialidades como la ingeniería geográfica y la ambientalista. El libro está inspirado y basado en los problemas que se presentan en los ríos peruanos, aunque no se restringe a ellos, pues he considerado enriquecedor incluir datos y casos provenientes de otros países, vinculados a temas que he conocido por alguna circunstancia. Por grande que sea el trabajo del autor, la publicación de un libro es siempre un esfuerzo colectivo. Tengo que agradecer a todos aquéllos que a lo largo de las últimas décadas me permitieron intervenir en sus problemas, a mis colegas y a mis amigos que me estimularon para culminar la tarea, a mis alumnos de diversas épocas y generaciones en quienes siempre pensé al escribir esta Introducción a la Hidráulica Fluvial. Este libro ha venido siendo escrito en los últimos años. Si hoy sale a la luz es por la decisión de nuestro Decano de la Facultad

xii

de Ingeniería Civil, ingeniero Roberto Morales Morales, quien desde el primer momento acogió con entusiasmo y firmeza la idea de su publicación, y ha escrito las palabras de presentación. El ingeniero Edgar Rodríguez Zubiate, Jefe del Departamento de Hidráulica e Hidrología y coordinador de esta publicación, tuvo una decisiva participación para que ella continúe adelante. Su estímulo resultó ser fundamental para mi trabajo. A ellos les expreso mi agradecimiento, pues sin su participación este libro no habría sido posible. El bachiller de Ingeniería Civil Marlon Gala García tuvo a su cargo la composición del texto, los dibujos, la diagramación general y la preparación de la edición en su presentación final, lo que hizo con especial dedicación y eficiencia, que agradezco mucho. Mi amigo y colega el ingeniero Miguel Suazo, presidente del Comité Peruano de Grandes Presas, ha tenido la bondad de escribir el generoso prólogo que precede este libro por lo que le expreso mi especial reconocimiento. A.R.F

xiii

En homenaje a los 122 años de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería formando profesionales al servicio del Perú 1876 - 1998

xv

CONTENIDO

Presentación

v

Prólogo

vii

Palabras Preliminares del Autor

xi

Indice de Figuras

xx

Indice de Cuadros

xxiii

Lista de Símbolos

xxiv

Capítulo 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Capítulo 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Introducción al Estudio de los Ríos La Escorrentía Mundial El Aumento de las Demandas de Agua Aproximación a la Hidráulica Fluvial Relación de la Hidráulica Fluvial con otras Disciplinas Los Ríos del Perú. Panorama de su Aprovechamiento y Control El Binomio Río-Ciudad

Erosión de Cuencas Conceptos Fundamentales de Geomorfología Procesos y Agentes Geomórficos. Agradación y Degradación Erosión de Cuencas. Erosión Específica Tipos de Erosión El viento y los Glaciales como Agentes Erosivos Prevención de la Erosión Áreas Críticas La Erosión en el Perú

1 7 10 11 12 14

19 23 24 29 33 34 35 37

xvii

Capítulo 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Capítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Capítulo 5 5.1 5.2 5.3 5.4

5.5

Capítulo 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

xviii

Movilidad Fluvial Definiciones Movilidad Fluvial Introducción a la Clasificación de los Ríos Ejemplos de Inestabilidad Fluvial Clasificación de los ríos por su Edad Río Chira: Aspectos de Inestabilidad Fluvial Río Tumbes: Aspectos de Inestabilidad Fluvial Comportamiento del Río Siguas: Simulación en Modelo Hidráulico

Hidráulica de los Conductos Abiertos Conductos Abiertos Fuerza Tractiva Naturaleza Hidráulica del Contorno Coeficientes de Resistencia Ecuaciones de Distribución de Velocidades

Introducción al Estudio del Transporte de Sedimentos Modalidades del Transporte Sólido Fluvial Fuerza Tractiva Crítica Interacción Sedimento-Estructura Propiedades Físicas de los Sólidos 5.4.1 Tamaño y Forma 5.4.2 Composición Mineralógica 5.4.3 Peso Específico 5.4.4 Velocidad de Caída Variabilidad del Transporte Sólido

El Fondo Móvil El Concepto de Iniciación del Movimiento Criterio de SHIELDS Otras Fórmulas y Criterios de Iniciación del Movimiento Fases del Transporte Sólido Macro y Microrrugosidad. Descomposición del Coeficiente de Resistencia Acorazamiento del Lecho Fluvial

43 48 57 58 61 62 64 67

69 70 72 74 76

79 85 86 89 90 96 97 98 109

115 119 125 133 137 138

Capítulo 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Capítulo 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Capítulo 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Gasto Sólido de Fondo Problemática General Metodología Básica Metodología de Cálculo Función Transporte Fórmula de DU BOYS Fórmula de SCHOKLITSCH Fórmula de MEYER-PETER y MUELLER Fórmula de EINSTEIN Fórmula de FRIJLINK

Gasto Sólido en Suspensión Características de la Suspensión Distribución Vertical de Concentraciones Gasto Sólido en Suspensión Distribución Vertical del Gasto Sólido en Suspensión Mediciones

Morfología Fluvial Introducción a la Fluviomorfología Perfil Longitudinal Estado de Equilibrio Clasificación Morfológica de los Ríos Cursos de Agua en Régimen Teoría del Régimen Método de BLENCH Abanicos Fluviales Descarga Dominante

Capítulo 10 Erosión de Cauces Fluviales 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

El Fenómeno de la Erosión Origen de la Erosión de los Cauces Fluviales Relación de LANE Degradación del Cauce Aguas Abajo de una Presa Protección con Espigones Erosión en Pilares de Puentes

141 142 145 146 147 150 152 160 162

165 167 171 173 173

179 182 185 187 190 191 193 198 199

201 203 206 208 212 218

xix

Capítulo 11 Sedimentación de Embalses 11.1 11.2 11.3 11.4

Introducción Factores para la Determinación del Volumen Muerto Consideraciones sobre el Aporte de Sólidos Problemas en la Apreciación de la Eficiencia de Retención 11.5 El Mecanismo de la Decantación y su Desarrollo en el Tiempo 11.6 Peso Específico de los Sólidos Sedimentados 11.7 Consecuencia de la Pérdida del Volumen Útil de los Embalses 11.8 Métodos para Aumentar la Vida del Embalse 11.9 Breve Examen de Algunos Casos de Colmatación Acelerada 11.10 Comentarios sobre el Problema

Capítulo 12 Modelos Fluviales 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Introducción El Criterio de Similitud Modelos Fluviales de Lecho Móvil Necesidad de un Modelo Físico Confiabilidad de un Modelo Físico

223 229 230 231 234 235 238 241 242 245

247 250 255 257 258

Indice de Temas

261

Referencias Bibliográficas

265

Indice de Figuras Figura

2.1

Variación de Pendientes durante la Erosión

25

Figura

2.2

Cuenca del Río Amarillo

30

Figura

2.3

Cuenca del Río Santo Domingo

32

Figura

3.1

Movilidad Fluvial

49

Figura

3.2

Flujo en Curva

51

Figura

3.3

Meandros del Río Mississippi

51

Figura

3.4

Secciones Características de un Río con Meandros

52

xx

Figura

3.5

Evolución de un Meandro

53

Figura

3.6

Cambios Fluviales producidos por un Barraje

56

Figura

3.7

Variación del Cauce del Río Mississippi

59

Figura

3.8

Variación del Recorrido del Río Piura

60

Figura

3.9

Variación del Recorrido del Río Tumbes

66

Figura

5.1

Modos de Transporte

81

Figura

5.2

Distribución Vertical de Velocidades Concentraciones y Fuerza de Corte

82

Figura

5.3

Curva de Distribución Granulométrica

92

Figura

5.4

Definición de Diámetro Efectivo

93

Figura

5.5

Coeficiente de Arrastre CD

103

Figura

5.6

Velocidad de Caída de Esferas de Cuarzo

106

Figura

5.7

Gráfico de YALIN para el Cálculo de la Velocidad de Caída

107

Figura

5.8

Gráfico de SCHULZ

108

Figura

5.9

Relaciones Gasto Líquido-Gasto Sólido

114

Figura

6.1

Iniciación del Movimiento

118

Figura

6.2

Diagrama de SHIELDS

121

Figura

6.3

Diagrama de YALIN

125

Figura

6.4

Diagrama de PETERSON

126

Figura

6.5

Diagrama de LANE

128

Figura

6.6

Fases del Trasporte Sólido

134

Figura

6.7

Determinación de las Fases del Transporte

136

Figura

6.8

Acorazamiento del Lecho

138

Figura

6.9

Composición Granulométrica del Lecho Antes y Después del Acorazamiento

139

Figura

7.1

Función Transporte

146

Figura

7.2

Curva de Duración de Caudales Sólidos

148

Figura

7.3
...