Fundamentos. Origen y Propiedades de los sedimentosFundamentos. Origen y Propiedades de los sedimentos

Sedimentos en movimiento: iniciación del arrastreSedimentos en movimiento: iniciación del arrastre

Modos de transporte Modos de transporte

Transporte de sedimento totalTransporte de sedimento total

Fórmulas del transporte de sedimento de fondoFórmulas del transporte de sedimento de fondo

Carga suspendidaCarga suspendida

Formas de fondoFormas de fondo

Que trata esta clase?Que trata esta clase?

Ambientes sedimentariosAmbientes sedimentarios

FuenteFuente

Producto sólidoProducto sólido

Origen …Origen …

1. 1. Densidad y Peso Específico (propiedades mineralógicas)

Propiedades de los SedimentosPropiedades de los Sedimentos

Densidad = masa / volumen

Peso Específico = peso / volumen

2. Tamaño de la partícula2. Tamaño de la partícula

Grano gruesoGrava Arena

Grano fino Limo Arcilla

0.0625mm

Análisis por tamizado Análisis por Hidrometría o por Láser

settling

column

Ejemplos de curvas varias

Partículas Angulares Mayor FricciónPartículas Redondeadas Menor Fricción

3. Forma de la partícula3. Forma de la partícula

Factor de Forma de Corey: kCSF = c / (a.b)1/2

Sedimentos naturales: kCSF 0.7

Factor de forma : Factor de forma :

Indice de redondez: Indice de redondez:

Diagrama de forma de las partículas (discoidales, esferoidales, etc.)

4. Velocidad de caída o de sedimentación (propiedad hidráulica)

FG : Fuerza de gravedad (Peso de la partícula = mg)FB : Fuerza “boyante” o de flotación o “empuje”FD : Fuerza de arrastre o viscosa

FG depende del volumen y la densidad (s) de la partícula:

FB es igual al peso del fluido que es desplazado por la partícula:

Se sabe experimentalmente que FD varía con el tamaño del grano, la viscosidad del fluido y la velocidad a la cual la partícula se deplaza

(La viscosidad es una medida de la “resistencia” del fluido a ser deformado mientras la partícula se desplaza en su seno)

donde es la viscosidad dinámica del fluido y U es la velocidad de la partícula; 3d es proporcional al área de la partícula sobre la que actúa la resistencia viscosa.

donde es la densidad del fluido

FG y FB se combinan para formar el “peso sumergido de la partícula”:

Se tienen dos fuerzas actuando sobre la partícula que cae:

En la instancia terminal ambas fuerzas se igualan:

Puntos a quedar en claro de esta primera parte:

En la mecánica del transporte de sedimentos las propiedades que interesan son:

Peso específico y densidadTamaño (limo, arcilla, grava…)Forma (redondez, angularidad, textura…)Distribución granulométrica

La velocidad de caída es función de las propiedades:densidad específica y tamaño, además de las propiedades del fluido.

Umbral o Iniciación del movimiento

Fuerzas actuantes sobre una partícula de sedimento

Abaco de Shields, 1936

La FUERZA DESESTABILIZADORA o de ARRASTRE ejercida por la acción del agua sobre el lecho se estima proporcional a :

donde 0 es la tensión de corte en el fondo y D es el diámetro del sedimento.

20D

La FUERZA ESTABILIZADORA o de RESISTENCIA de la partícula a ser movida, ejercida por el peso del sedimento se estima proporcional a :

El PARAMETRO de SHIELDS, o de MOVILIDAD, que tiene la forma de una tensión de corte adimensional queda dado entonces por la expresión :

En el eje de coordenadas x se coloca el Número de Reynolds de grano, el cual refleja el grado de turbulencia o la relación entre las fuerzas de inercia y viscosas alrededor de la partícula :

Albert F. Shields (1908 – 1974)

Abaco de Shields, 1936

Movimiento

No movimiento

Número de Reynolds de grano

Flujo hidráulicamente liso: cuando Re* < 2 El D es menor que el espesor de la capa viscosa. Los granos están embebidos dentro de esta capa y entonces el parámetro de Shields es independiente del D. Flujo hidráulicamente rugoso: cuando Re* > 500. La subcapa viscosa no existe y el parámetro de Shields es independiente de la viscosidad.Flujo de transición: cuando 2 < Re* < 500. El D es del mismo orden que el espesor de la subcapa viscosa . Existe un mínimo valor del parámetro de Shields que corresponde a Re* = 10.

Refleja la influencia de la viscosidad en el movimiento del grano debido al escurrimiento.

Abaco de Shields, datos originales

movimiento

no movimientolimo arena grava

1,65 500

Modos de transporte

QL

Qbsuspendido

Qbfondo

Zonas del transporte

Parámetro adimensional: Parámetro adimensional: wwss / u / u**

Carga de Lecho: 6 > (w(wss / u / u**) > 2

Saltación: 2 > (w(wss / u / u**) > 0.6

Suspensión: 0.85 > (w(wss / u / u**) > 0

Clasificación Criterio de Raudkivi

Diagrama de Shields modificado

Número de Rouse:: PWs = ws / (k u*)

Carga de Lecho: PWs > 2.5

50% en suspensión: 1.2 < PWs < 2.5

100% en suspensión: 0.8 < PWs < 1.2

Carga de Lavado: PWs < 0.8

Clasificación Criterio de Whipple

Estudio de la Mecánica del Transporte de Sedimentos

Mediciones Directas (Qbs , Qbf , QL)

Estimación con Fórmulas

Estimación del caudal sólido Qs

Estimación del transporte Total, Qs

B

Fórmulas generales …

Estimación del transporte de fondo, Qbf

Las ecuaciones de transporte de fondo tratan de Las ecuaciones de transporte de fondo tratan de cuantificar el caudal sólido de un flujo en función cuantificar el caudal sólido de un flujo en función sus características sus características hidráulicashidráulicas y de las características y de las característicasgranulométricasgranulométricas del lecho. del lecho.

Por la complejidad de la mecánica del transporte de Por la complejidad de la mecánica del transporte de sedimento, no ha sido posible encontrar una sola ecuaciónsedimento, no ha sido posible encontrar una sola ecuacióndinámica del transporte de fondo. En su lugar, existendinámica del transporte de fondo. En su lugar, existenuna serie de ecuaciones aproximadas (empíricas, una serie de ecuaciones aproximadas (empíricas, semiempíricas o basadas en diferentes teorías).semiempíricas o basadas en diferentes teorías).

Estimación del arrastre en la capa de fondo, Qbf

Las ecuaciones de transporte de fondo son fórmulas Las ecuaciones de transporte de fondo son fórmulas unívocas entre el caudal sólido unitario qbf y las unívocas entre el caudal sólido unitario qbf y las características hidráulicas, de la forma:características hidráulicas, de la forma:

B

donde donde cc es el esfuerzo de corte crítico de Shields o es el esfuerzo de corte crítico de Shields oparámetro de movilidad del sedimento.parámetro de movilidad del sedimento.

De la ecuación se deduce De la ecuación se deduce que el caudal sólido es que el caudal sólido es una función que depende directamente del exceso una función que depende directamente del exceso de tensión de corte en el fondo sobre la tensión de tensión de corte en el fondo sobre la tensión crítica de inicio del movimiento.crítica de inicio del movimiento.

Meyer-Peter & Müller Meyer-Peter & Müller [MPM] (1948): [MPM] (1948): kk11 = 8 , k = 8 , k22 = 3/2 , = 3/2 , *c*c = 0.047 = 0.047

Wong & Parker Wong & Parker (2003):(2003):kk11 = 4.93 , k = 4.93 , k22 = 1.6 , = 1.6 , *c*c = 0.047 = 0.047

qqSb*Sb* = k = k11((** - - *c*c))kk22

Cálculo de qbf con ecuaciones del tipo

Ecuación de Einstein-Brown (1942)

Es una ecuación semiteórica que en su forma más explícitaEs una ecuación semiteórica que en su forma más explícitapuede escribirse como:puede escribirse como:

La ecuación de MPM es válida para diámetros del sedimentoLa ecuación de MPM es válida para diámetros del sedimentoinferiores a 3cm, y para pendientes de fondo menores al 2%.inferiores a 3cm, y para pendientes de fondo menores al 2%.

Datos necesarios en el cálculo de qb

1. Curva granulométrica del material del 1. Curva granulométrica del material del fondo.fondo.

2. Peso específico o densidad de las 2. Peso específico o densidad de las partículas de fondo.partículas de fondo.

3. Sección transversal del cauce.3. Sección transversal del cauce.

4. Elevación de la superficie del agua.4. Elevación de la superficie del agua.

5. Pendiente hidráulica media a lo largo del 5. Pendiente hidráulica media a lo largo del cauce, en el tramo en estudio.cauce, en el tramo en estudio.

Siempre es conveniente realizar mediciones Siempre es conveniente realizar mediciones de qde qss que sirvan como marco de referencia que sirvan como marco de referencia antes de la aplicación de las distintas antes de la aplicación de las distintas formulaciones para su predicción formulaciones para su predicción cuantitativa. cuantitativa.

Para ello, se pueden aplicar diversas Para ello, se pueden aplicar diversas técnicas experimentales tanto para la carga técnicas experimentales tanto para la carga de lecho como para el transporte en de lecho como para el transporte en suspensión.suspensión.

Comentarios …

No existe ninguna formulación apta para todo el rango de tamaños de sedimentos encontrados en la práctica. Es decir, hay fórmulas adecuadas para arenas, otras para gravas y otras para materiales de diámetros mayores (bolos, bochas, guijarros, …).

Al aplicarse una fórmula deben conocerse sus rangos de calibración para establecer si se ajusta al caso analizado.

Comentarios …

Cuando se aplican varias fórmulas al mismo río, por lo general se obtienen resultados muy distintos entre sí. Ello no debe causar sorpresas, ya que es una evidencia del insuficiente estado actual del conocimiento en una temática tan compleja como el transporte de sólidos.

En ese sentido, al adoptar una fórmula debe priorizarse el criterio y juicio ingenieril.

Comentarios …

Determinación en Laboratorio de la Relación que

Cuantifica el Transporte Total de Sedimentos

Determinación en Laboratorio de la Relación que

Cuantifica el Transporte Total de Sedimentos

Modelado del Modelado del transporte de transporte de sedimentos sedimentos en laboratorio…en laboratorio…

Puente Goya Reconquista, 2009Puente Goya Reconquista, 2009 Minnesota, USAMinnesota, USA

Formación incipiente de

canales y meandros

s/= 2.65

Q = 1litro/min

d = 20 - 40 micrones

(prototipo: 85 -360 micrones)

Formación incipiente de

canales y meandros

s/= 2.65

Q = 1litro/min

d = 20 - 40 micrones

(prototipo: 85 -360 micrones)

Fernandez et al. (2009) “Experiments on self-channelized subaqueous fans emplaced by turbidity currents”. J. Sedimentary Research.

Si en un lecho de arena con transporte de fondose aumentase paulatinamente la velocidad a partir del umbral del movimiento se podría observar la presencia de diferentes formas de fondo.

Formas de Fondo en un lecho granular

Ripples in the Rum River, Minnesota USA at very low flow.

Son pequeñas ondulaciones con una longitud de onda máxima del orden de decímetros (~1000D) y una altura que no sobrepasa los centímetros (~100D).

Sólo aparecen en lechos de arena y cuando el movimiento no es turbulento rugoso, es decir, cuando la subcapa límite granular recubre el grano.

Arrugas o rizos (ripples)

Las dunas son ondulaciones triangulares con dos taludes diferentes (6 y 32o). Su tamaño es mayor que el de los rizos y guarda una proporción constante con el tirante. Se presentan cuando el régimen hidráulico es lento y por lo tanto se puede observar como la superficie del agua se ondula.Se desplazan hacia aguas abajo.

Dunas en el Río Paraná cerca de Paso de la Patria, Argentina. Las Dunas en el Río Paraná cerca de Paso de la Patria, Argentina. Las mediciones fueron realizadas con un multibeanm echo sounder en mediciones fueron realizadas con un multibeanm echo sounder en mayo del 2004.mayo del 2004.

Si se sigue aumentando la velocidad del flujo, hasta alcanzar el régimen crítico aproximadamente, las dunas se agrandan y el fondo se aplana.

Pero para velocidades aún mayores el fondo vuelve a ondularse siguiendo unas formas simétricas llamadas antidunas que pueden desplazarse tanto hacia aguas arriba como hacia aguas abajo, aunque el transporte de sedimento sea hacia aguas abajo.

El régimen hidráulico en este momento es rápido (supercrítico) como manifiesta la ondulación de la superficie del agua en consonancia a la del lecho.

Antidunas en canales trenzados de Hibbing Taconite Mine,

Minnesota, USA. El flujo es desde arriba hacia abajo.

Water surface is out of phase with the bed.Depth variation is out of phase with the bedFlow accelerates from trough to crest.Sediment transport increases from trough to crest.Bedform migrates downstream.Bedform becomes asymmetric.

Flujo sobre un fondo con dunas

Water surface is in phase with the bed.Depth variation is in phase with the bedFlow decelerates from trough to crest.Sediment transport decreases from trough to crest.Bedform migrates upstream (or hardly at all).Bedform stays symmetric.

Flujo sobre un fondo con antidunas que migran hacia aguas arriba

Rápidos. La pendiente es grande y el flujo es supercritico. Calais, France.

Resaltos

Si se hace aumentar aún más el régimen se forman crestas de espuma y resaltos hidráulicos al tiempo que el fondo se transforma rápidamente en una sucesión de pendientes suaves y largas (rápidos) donde el agua pasa de régimen lento a régimen rápido.

Arrugas o rizos

Dunas

Fondo plano

Antidunas

Rápidos y pozos

Una vez que existe flujo de separación, la fricción en el fondo se incrementa, debido a que se adiciona la fricción por forma.

Rugosidad total: de grano y de las formas de fondo

Rugosidad del grano.