Estudio experimental del transporte de sedimentos finos en un canal con lecho de grava

Abstract

El lecho de grava en un río puede ser contaminado por partículas de sedimento fino, por ejemplo, en situaciones donde el material fino es liberado de un embalse a través de procesos como el dragado de sedimentos u otros. Procesos de este tipo tienen por finalidad aumentar la capacidad y vida útil del embalse, mejorar las condiciones ambientales de éste, así como reducir las inestabilidades producidas en el río aguas abajo. Sin embargo este proceso es perjudicial para los ecosistemas aguas abajo de la obra, ya que produce la depositación de sedimento fino en los espacios de poros del lecho, modificando el estado natural de este. El proceso de transporte del sedimento liberado se puede generar a través de suspensión o como arrastre de fondo. El objetivo de este estudio es recrear experimentalmente los fenómenos que afectan a sistemas fluviales de este tipo, en particular estudiar el fenómeno del gasto solido de fondo de sedimentos finos sobre un lecho de grava y como se ven afectados ciertos parámetros asociados a la velocidad del flujo. Para investigar el fenómeno se llevó a cabo un estudio experimental en el laboratorio de Hidráulica Francisco Javier Domínguez, ubicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile. Allí se cuenta con un canal de acrílico de sección cuadrada de 30 cm y un largo de 12 m; una tolva ubicada al inicio del canal que contiene sedimento fino (arena) y una trampa de sedimentos localizada al término del canal. Dentro del canal se dispone de un lecho de grava cuyo diámetro medio es de 45 mm. La acción de la tolva permite insertar sedimento fino de diámetro medio 0,45 mm, hacia el interior del canal. Por otro lado, la trampa de sedimento posibilita la cuantificación del arrastre solido de fondo. La posición de la arena con respecto a la grava se registró a través de un arreglo de cámaras fotográficas localizadas longitudinalmente, mientras que la velocidad del flujo en la zona fotografiada se midió con un Acoustic Doppler Velocimeter (ADV).

Resultados derivados de las mediciones de la velocidad del flujo muestran que la intensidad de la turbulencia presenta un comportamiento concordante con las predicciones realizadas por Nezu and Nakagawa (1993). Además se aprecia como el aumento de la exposición de la arena es inversamente proporcional a la intensidad del esfuerzo de corte de Reynolds. Por último, se desarrolla una expresión que permite predecir el gasto sólido de fondo del sedimento fino sobre un lecho de grava inmóvil, en función del esfuerzo de corte de fondo y la exposición de la arena, mostrando una mejora en la precisión con respecto al empleo de las relaciones clásicas para granulometría uniforme como las obtenidas en los estudios de Meyer-Peter y Müller (1948); Frank and Jorgen (1976); Ashida (1972).