Hidráulica fluvial1. introducción

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

Q A

v f1v r

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