hidráulica fluvial1. introducción
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HIDRÁULICA
FLUVIAL
Javier Aparicio
Roberto Mejía
2016
Objetivos del curso
Conocer el comportamiento de los cauces naturales
Reconocer los problemas que ocasionan las obras construidas en las corrientes naturales
Evaluar los cambios que tendrá un río al introducir modificaciones a sus condiciones naturales
Cuantificar los volúmenes de material sólido transportado por los ríos
Diseñar canales sin arrastre
Diseñar rectificaciones en ríos
Diseñar obras de defensa contra erosión y tener elementos de diseño de otras obras fluviales
Temario del curso
1. Presentación e introducción general
2. Principios hidrodinámicos
2.1 Fricción
2.2 Capa límite. Flujo laminar y turbulento
2.3 Cortante. Distribución de cortante
2.4 Velocidad media. Distribución de velocidades
2.5 Sustentación y empuje
3. Propiedades de los sedimentos
3.1 Generalidades
3.2 Densidad y peso específico
3.3 Tamaño y forma
3.4 Velocidad de caída
3.5 Relaciones volumétricas
3.6 Distribución granulométrica
3.7 Materiales en suspensión
4. Formas de fondo y resistencia al flujo en cauces
naturales
4.1 Generalidades y formas de fondo
4.2 Resistencia al flujo en cauces naturales
5. Inicio del movimiento de sedimentos
5.1 Generalidades
5.2 Velocidad media crítica
5.3 Esfuerzo cortante
5.4 Acorazamiento
5.5 Diseño de canales sin arrastre
6. Transporte de sedimentos
6.1 Generalidades
6.2 Fórmulas y métodos
Duboys
Meyer Peter y Müller
Einstein
Engelund
Bagnold
Brooks
Karim y Kennedy
7. Morfología de ríos
7.1 Generalidades
7.2 Características físicas y gasto formativo
7.3 Análisis cualitativo
7.4 Cauces rectos, meandreantes y trenzados
8. Estabilidad de cauces
8.1 Generalidades
8.2 Métodos
Teoría de Régimen
Altunin
Maza – Cruickshank
8.3 Relaciones entre parámetros y cambios
9. Ecohidrología fluvial
9.1. Presentación e introducción general
9.2. Diseño de cauces
9.3. Criterios de diseño
9.4. Enfoque al diseño para mantener cauces naturales
9.5. Vegetación ribereña
9.6. Caracterización del hábitat
9.7. Medidas bio-ingenieriles de protección
10. Procesos erosivos
10.1 Generalidades
10.2 Erosión general
10.3 Erosión transversal
10.4 Erosión local
10.5 Erosión en curvas
11. Protección y control de cauces
11.1 Generalidades
11.2. Espigones
11.3 Recubrimientos y muros marginales
11.4 Corte de meandros
Bibliografía básica
Julien, P.Y. River Mechanics, Cambridge, 2002
Maza, A. J. A. Introduction to river engineering, Publ. D71, DEPFI, UNAM, 1987
Manual de Diseño de Obras Civiles, CFE. A.2.II. Hidráulica Fluvial, 1981
Graf, W. H. Hydraulics of Sediment Transport, McGraw Hill, 1971
Raudkivi, A. J. Loose boundary hydraulics, Pergamon Press, 2ª Ed,1976
Maza, A. J. A., García F. M. Hidrodinámica Bases para hidráulica fluvial. Publ. D20, I. de I., UNAM, 1984
Shen, H., W., River Mechanics, Fort Collins, Colorado, 1971
Simons, D. B.,0 F. Sentürk, Sediment Transport Technology, Fort Collins, Colorado, 1977.
Selim Yalin, M., Ferreira da Silva, M. Fluvial processes, IAHR Monograph, Delft, 2001
Bibliografía básica
Simons, D.B. & F. Sentürk, Sediment Transport Technology; Water and Sediment Dynamics. Water Resources Publ, LLC, Highlands Ranch, Colorado, 1992.
Graf, W.H, Fluvial Hydraulics: Flow and Transport Processes in Channels of Simple Geometry. In collaboration with M.S. Altinakar, John Wiley and Sons, England, 1998.
Martínez, M. Eduardo, Hidráulica fluvial, Ed. Bellisco. 2001.
Berezowsky, V. M., Vilchis, V. R., Protección y control de cauces, CNA-
IMTA, 2000
Brookes A. Channelized Rivers Perspectives for Environmental Management,
Ed. J. Wiley & S., 1988
Bibliografía complementaria
U.S. Army Corps of Engineers, River Hydraulics, University Pressof the Pacific, Honolulu, 2005
Chow, V. T., Open channel hydraulics, McGraw Hill, 1959.
Henderson, F. M., Open channel flow, McMillan, 1966.
Manual de Ingeniería de ríos, CNA, II,1993.
Yalin, M.S. Mechanics of sediment transport. Ed. Pergamon Press.
American Society of Civil Engineers, Hurricane Katrina ExternalReview Panel, The New Orleans Hurricane Protection System: What wentwrong and why, ASCE, 2007
Fenon, J., Open channel hydraulics, 2007
Chaudhry, M.H., Open-channel flow, McGraw-Hill, New York,
1966
Leet y Judson, Fundamentos de Geología Física. Wiley-Limusa, 1999.
Maza, A. J. A. Socavación en cauces naturales, I. de I., UNAM, 1967.
Garde, R. J., Ranga Raju K. G. Mechanics of SedimentTransportation and Alluvial Stream Problems, J. Wiley & Sons, 2ª Ed., 1985
Enzo Levi L., El agua según la ciencia, CONACYT, 1989.
American Geophysical Union, Monograph 89, Natural and anthropogenic influences in fluvial geomorphology, 1995
Martín Vide Juan P., Ingeniería de Ríos, Ed. ALFAOMEGA, 2003
Novak p., A.I.B. Moffat y C. Nalluri, Estructuras Hidráulicas,
Editorial McGraw Hill, 2001
Lecturas (lista preliminar)Sesión 9
Libro Inciso Páginas
Simons y Sentürk 1.1 a 1.6 2 a 10
Brookes Cap. 1 3 a 5
Brookes Cap. 1 3 a 5
Levi III. Principio hasta antes 119 a 123
del titulo: Criterios de...
Levi X. Cuestiones fluviales hasta 586 a 593
antes del capitulo de los:
Canales de...
Agua y Sociedad, CNA 14
Sesión 9
Libro Inciso Páginas
Daily Fluid Cap.12, 12.1 hasta antes de 227 a 237
Dynamics surface-resistance...
Raudkivi Cap. 5 hasta antes del inciso 54 a 72
Chutes and pools
Sesión 17
Libro Inciso Páginas
Rev. Ing. Hidráulica 178 a 183
de Mex.Vol II 1973, Nº 2
Graf 6.1 a 6.3.2.2 83 a 99
Graf 7.4, Completo 139 a 151
Graf 7.2 158 a 170
Shen Cap. 5 5.1 a 5.20
CNA Cap. 2; 10 a 24
2.3.1 a 2.3.2
Sesión 24
Libro Inciso Páginas
Graf Cap. 10, 10.1 y 10.2 243 a 253
Leet Cap. 11 153 a 178
Graf Cap. 10, 10.3.3, Completo 260 a 269
Art. E. M. Laursen River, sedimentation and 113 a117
research
Sesión 32
Libro Inciso Páginas
Rev. Ing. H. de Mex. 93 a 106
Vol. XXI Nº 1 - 2, 1967
Channelized Cap. VII 189 a 195
Rivers, A. Brookes
Rev. Ing. H. en Mex. 23 a 37
Vol. XX, Nº 2, 1966
Modelos Fluviales 1. a 3.2 1 a 29
I. Nº 216
Manual de I. de Cap. 14, 14.1 1 a 6
Rios, CNA Completo
Sesión 32
Libro Inciso Páginas
Art. Future needs in alluvial a 3 a 17
channel research WRP
K. Mahmood
Clasificación:
627.13 M 1988 12426
Fluvial River and the art of stream 137 a 149
geomorphology restoration
Reglas y procedimientos para la
conducción del curso 3 exámenes parciales obligatorios para llevarse a casa (deberán
ser devueltos, debidamente resueltos, en la fecha señalada, no más tiempo)
Exámenes de teoría de corta duración, sobre el curso y las lecturas.
Tareas durante el curso.
Las lecturas serán individuales y se entregará un reporte por cada lectura (una cuartilla máximo)
El reporte será un resumen, además del comentario del alumno sobre la lectura.
El profesor dará el material de lectura y los alumnos entregarán sus comentarios en las fechas señaladas.
Las tareas podrán elaborarse en equipos de no más de tres alumnos, pero se entregarán individualmente. Se recomienda que las conclusiones sean personales.
No hay examen final.
Es recomendable no faltar a clases; la tolerancia para ingresar al salón será sólo de quince (15) minutos, pasados los cuales no se permite entrar al salón. Para el profesor la tolerancia es de treinta (30) minutos, pasados los cuales se pueden retirar los alumnos.
Forma de calificar Cada uno de los exámenes parciales, que son obligatorios, tiene
un peso de 15%, lo que implica un total de 45%.
Los exámenes de teoría y de lecturas cuentan en total 30%.
Tareas y entrega de reportes 25%
PROCESOS
FLUVIALES
Enzo Levi Lattes
Enzo Levi: El agua según la ciencia (I)
Precisión de disponer de agua para satisfacer necesidades básicas corporales y domésticas; utilización de vías marítimas o fluviales para el transporte, y cruce de ellas; irrigación de cultivos; defensa
contra las inundaciones, aprovechamiento de la energía de corrientes; todo esto ha forzado al hombre, desde los tiempos más
antiguos, a vérselas con el agua. No ha sido un trato fácil. El habitante urbano que la observa a diario, dócil a sus necesidades,
bajar mansa de la llave, no tiene idea de su idiosincrasia. No imagina con cuánta paciencia y astucia hay que manejar a esta
nuestra gran amiga – enemiga; cuán a fondo hay que entender su índole altiva para poder someterla y doblegarla; cómo hay que
“dorarle la píldora” para reducirla a nuestra voluntad, respetando -sin embargo- la suya. Por eso, el hidráulico ha de ser, ante todo, algo así como un psicólogo del agua, conocedor profundo de su
naturaleza.
En efecto, no es con violencia como se puede hurtar sus secretos, sino con amor; con esa comprensión que se deriva con
una larga convivencia con ella, tan larga que ni la vida de un individuo, ni la de muchas generaciones, es suficiente. Hay que
atesorar todo lo que la humanidad ha venido aprendiendo, a veces a costa suya, dejándose sorprender; otras al intentar
precaverse, realizando observaciones, ensayos, cálculos. [Los libros de texto], con todos sus méritos, adolecen por lo general
de un defecto: crear la ilusión de una ciencia demasiado madura y segura de sí misma; que, algo alejada –a veces- de los
fenómenos que pretende dominar, olvida las limitaciones de sus principios y adquisiciones, y hace que parezcan duraderos muchos de los que algún día, tal vez muy cercano, podrían ser
puestos en duda o refutados.
Enzo Levi: El agua según la ciencia (II)
El mayor enemigo del hombre actual parece ser no la bomba atómica, sino la ignorancia. […] aludo a la ignorancia de quienes hemos estudiado y creemos
saber. Se trata de una ignorancia curiosa, fruto quizás de un exceso de información. Nunca hemos tenido a
nuestro alcance tantos conocimientos como hoy en día; pero son conocimientos prefabricados, que se ofrecen
reunidos y sintetizados en enciclopedias, audiovisuales, programas de cómputo; que se tragan como píldoras,
sin valuar cuánto de cierto o dudoso, efímero o permanente, hay en ellos. Mirar al presente olvidando el
pasado nos vuelve demasiados seguros de nosotros mismos y, por tanto, inermes frente a un posible
fracaso.
Enzo Levi: El agua según la ciencia (III)
XVI Congreso Nacional de
Hidráulica
¿Cuánto ha avanzado
nuestro conocimiento?¿Sabemos hidráulica?
Río Grijalva/Colorado
Avenidas y deforestación
Conducta indeseable
Educación de ríos
Métodos educativos e hidráulica
fluvial
Métodos educativos en personas
Sicología de ríos: hidráulica fluvial
Hidráulica actual
• Arrastre de sedimentos: fronteras
móviles
• Sin arrastre: fronteras fijas
2 / 3 1/ 2AQ R S
n
)(1 hfA
)(2 hfR
Manning
(Kennedy, 1895; Lindley, 1919; Lacey, 1930)
Canales en Paquistán y la India
1/ 2( ) 4.838P h Q
1/3
( ) 0.4725 /R h Q f
5/3 1/ 6( ) 0.000302 /S h f Q
2/166.55 mDf
Teoría de régimen
Encauzamiento con gaviones
Construido S = 0.0158
Erosionado
Proyecto S = 0.0083
S = 0.0083
Caídas
Proyecto, construcción y efecto
Erosión del fondo (I)
Erosión del fondo (II)
Construcción de muros
transversales
Muros
transversales
Efectos de muros transversales (I)
Efectos de muros transversales (II)
W
Mi
Mb
WM i 06.6
WM b 38.17
WM b 86.2
2/188.4 QW 2/17.84 QM b
Geometría de meandros
Meandros usados y abandonados
Meandros abandonados
Protección marginal con costalera (I)
Protección marginal con
costalera (II)
Daños en carretera
Nuevos tramos de carretera
101
X
Caminatas aleatorias
Río Mississippi
Cuenca del alto Mississippi
Mark Twain en Eruption
“The Mississippi
River will
always have its own
way; no
engineering skill can
persuade
it to do otherwise...”
1700
1718 1735 1770 1782 1785 1791 1796
1799
1800
1809 1811 1813 1815 1816 1823 1824
1828 1844 1849 1850 1851 1858 1859
1892 1893
1900
1903 1907 1908 1912 1913 1916 1920 1922 1923 19271929 1932 1936 1937 1945 1950 1957 1958 1973 1974
1975 1979 1983 1984 1993 1997 2005 2011
Años con inundaciones
importantes en el río Mississippi
2011, Viksburg, Miss.
Construcción de bordos
Construcción
de bordos
Ciclo de los bordos
Pérdida de vidas y
daños a
infraestructura
Construcción de
bordos
Construcción de nuevos
asentamientos e
infraestructura
Pérdida de capacidad de
regulación de las planicies
Inundaciones
San Luis Missouri
Daños de las avenidas de 1993
Río Mississippi en San Luis Missouri
Monto de daños en el río
Mississippi
2005: 21×109 dólares
Recomendaciones post 1993
Planicies de inundación: parte del sistema físico y biológico de la cuenca
Identificar y mejorar los valores culturales, históricos y estéticos de las planicies de inundación.
Adquirir terrenos para su uso ambiental
Considerar factores sociales y ambientales en todas las acciones relacionadas con la planicie de inundación
Recomendaciones post 1993
Hábitats de especies en peligro de extinción
Áreas contiguas e hidrológicamente conectadas con los
cauces
Confluencias
Parques
Humedales y áreas inundables
Inundaciones producidas por
Katrina en Nueva Orléans, 2005
Katrina y Nueva Orléans
29 de agosto, 2005: Katrina afectó severamente Louisiana,
Mississipi y Alabama, particularmente Nueva Orléans.
Nueva Orléans se construyó en zona baja y pantanosa en las
márgenes del Mississipi. Bordos y muros alrededor de la ciudad y
barrios adyacentes para protegerlos contra inundaciones. Muchos
bordos y muros se rebasaron y varios fallaron, produciendo
inundaciones masivas.
1500 muertos, miles de casas destruidas
Daños: 21,000 millones de dólares, 6,700 millones de dólares en
infraestructura pública.
La población disminuyó a cerca de la mitad.
Uno de los peores desastres de la historia de Estados Unidos.
ASCE, 2007
Causas I
• Riesgo (probabilidad de falla combinada con las
consecuencias) muy alto. Riesgos no entendidos o
comunicados en forma efectiva. Subestimación de la
evacuación y protección a la propiedad
• Sistema de protección construido como piezas
individuales y no como sistema interconectado: partes
resistentes unidas a partes débiles. Proyecto por
proyecto en varios años, no integralmente; presiones
por disminuir los costos
Causas II
• Sistema diseñado para condiciones meteorológicas
menos severas que las de un gran huracán
• Errores en los bancos de nivel: muchos bordos no
construidos al nivel correcto, en algunos casos más de
0.5 m debajo del nivel de diseño. No se tomaron
medidas para compensar el hundimiento de la ciudad
• La responsabilidad del mantenimiento y operación de
los bordos y estaciones de bombeo estaba distribuida
entre varias agencias federales, estatales y locales y no
hubo suficiente coordinación
Recomendaciones I
• Mantener la seguridad en primer lugar entre las
prioridades públicas
• Cuantificar y actualizar periódicamente la estimación de
los riesgos.
• Determinar el nivel de aceptación de riesgo en la
comunidad a través de programas de comunicación
• Corregir las deficiencias del sistema para incorporar
información cambiante, haciendo que los bordos
resistan el desbordamiento, reforzando los muros I y
los bordos y mejorando las estaciones de bombeo
Recomendaciones II
• Asignar a una sola entidad o ingeniero la
responsabilidad de manejar los sistemas de
protección contra inundaciones e implementar
mecanismos más efectivos de coordinación
• Mejorar los procedimientos de diseño y
operación manteniendo un mayor énfasis en la
seguridad
• Involucrar a expertos independientes en la
revisión de todas las estructuras críticas
Río Colorado
•634,840 km2
•7 estados EU
•2 estados
México
Caudales en el río Colorado•Uno de los ríos más explotados del mundo: 20,700 5,200 hm3 en 100 años
Presa HooverPresa Glen Canyon
Río Colorado
Conclusiones
Tomar en cuenta la
idiosincrasia y entorno de los
ríos: río y llanura son
indivisibles
No respetar la ecología cuesta
dinero
Investigación y educación
¿Sabemos hidráulica?
Reseña histórica I Ca. 4000 a.c.: China. Primeros avances en conocimiento de transporte de
sedimentos Yu: Ingeniero hidráulico, creador de diques para protección de planicies fértiles contra
inundaciones en los ríos Huang-Ho y Yang Tse Kiang. Nombrado emperador
Ca. 4000 a.c.: Mesopotamia (Tierra entre ríos: Tigris y Éufrates) y Egipto. Avances similares y simultáneos
4000 a.c.- 1000 d.c: Mesopotamia, Egipto y Anatolia Puente entre oriente y occidente.
Obras hidráulicas: acueductos, túneles y cisternas
3000 a.c.: Egipto Primera presa en el Nilo
Faraón Nemes
1400 a.c.: Egipto. Ramsés II. Extenso sistema de canales y almacenamientos en el Nilo.
Nilómetros
1827 a.c.: Registros de niveles de inundación más antiguos
Inicio de fiesta anual según niveles en el río
Impuestos a la tierra dependiendo del máximo nivel de inundación
Grecia: Poco sobre ingeniería de ríos y transporte de sedimentos, pero avances en filosofía natural Tales de Mileto (ca. 600 a.C.):
El agua es el origen de todas las cosas
La Tierra descansa en agua
Aristóteles (384-322 a.C.): dos tipos de acciones mecánicas: Motivación,
Resistencia,
Arquímedes (287-212 a.C.): Geometría, flotación, hidrostática, fundamentos de cálculo diferencial e integral
Hipócrates (460-380? a.C.): Evaporación, experimentación
Romanos: Logros prácticos, poca teoría Frontinus: Observó que a mayor pendiente mayor velocidad,
pero supuso que
se debe a Herón de Alejandría (s. I d. C.)
Reseña histórica II
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Q Av
Reseña histórica III
1300 – 1450 (Imperio otomano). Puentes y canalizaciones para permitir a los ejércitos avanzar hacia el oeste en Yugoslavia, Turquía, Bulgaria, África y Medio Oriente. Cálculo de erosión en pilas.
1450 (Da Vinci, 1452)- 1600 (Renacimiento). Fin de transferencia oriente-occidente. Rápido desarrollo de artes y ciencias
Avances: Resultado de problemas específicos que requieren de soluciones inmediatas
GRACIAS
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