MOVIMIENTO INCIPIENTE DE LOS SEDIMENTOS DEL LECHO EN EL SECTOR ARAMAYA DEL RÍO ORINOCO. by Giovanna D´Cools

MOVIMIENTO INCIPIENTE DE LOS SEDIMENTOS DEL LECHO EN EL SECTOR ARAMAYA DEL RÍO ORINOCO. ESTADO BOLÍVAR. VENEZUELA. SEDIMENT INCIPIENT MOTION OF ARAMAYA BOTTOM IN ORINOCO RIVER. BOLÍVAR STATE. VENEZUELA. Dafnis José Echeverría Díaz1

1 Dirección postal: Urb. Vista Hermosa 1, Manzana G, Casa No 5. Correo electrónico: dafnisecheverria2807@gmail.com. Teléfono: 0416-3939850. Profesor Asistente de la Facultad de Ingeniería del Núcleo de Ciudad Bolívar de la Universidad Nororiental Privada Gran Mariscal de Ayacucho.

MOVIMIENTO INCIPIENTE DE LOS SEDIMENTOS DEL LECHO EN EL SECTOR ARAMAYA DEL RÍO ORINOCO. ESTADO BOLÍVAR. VENEZUELA. RESUMEN Se plantea como objetivo de la investigación analizar las condiciones del movimiento incipiente de los sedimentos del lecho en el sector Aramaya del río Orinoco. Para el logro del mismo se utilizó una metodología que consistió en:

caracterizar geotécnica y sedimentológicamente los materiales del lecho; también se efectuó la caracterización de las condiciones del flujo y de la geomorfología del lecho y posteriormente se aplican varios modelos de movimiento incipiente de las partículas tales como los de Shields, Hjulstrom y ASCE, Yang, Meyer-Peter-Müller, Mavis y Laushey y del United States Bureau of Reclamation. Se encontró que los sedimentos son arenas mal gradadas con partículas de formas predominantemente angulosas que sufren movimiento incipiente con velocidades del flujo de 1.5 cm/s aun cuando las velocidades de los flujos medidas en el sector oscilan entre 63 y 120 cm/s indicando un sector sedimentológicamente muy dinámico que no se encuentra en condiciones de estabilidad morfológica. PALABRAS CLAVE: movimiento incipiente, sedimentos, corrientes, Aramaya, Orinoco. SEDIMENTS INCIPIENT MOTION OF ARAMAYA BOTTOM IN ORINOCO RIVER. BOLÍVAR STATE. VENEZUELA. ABSTRACT This research was made to analyze the conditions of incipient motion of bed sediments in the Orinoco River Aramaya reach. To achieve the objective the methodology will be used consisting of: geotechnical and sedimentology characterization of bed materials; characterization of flow conditions and the geomorphology of the bed. After that are applied several models of incipient motion of particles such as Shields, Hjulstrom and ASCE, Yang, Meyer-Peter-Müller, Mavis and Laushey, and the United States Bureau of Reclamation model. It was found that the sediments are poorly graded sand with particles predominantly undergo angular shapes that get incipient movement with 1.5 cm / s flow speeds even when the flow rates measured in the area ranging between 63 and 120 cm / s which indicates the area is sedimentology a very dynamic reach that is not stable in terms of morphology. KEYWORDS: incipient movement, sediments, currents, Aramaya, Orinoco river

1. INTRODUCCIÓN El río Orinoco como principal arteria fluvial del país reviste una importancia crucial como vía de comunicación a través de la cual se movilizan las materias primas, minerales y productos intermedios explotados y producidos en la región Guayana. Por otra parte, su cuenca es sede de incontables ecosistemas y hábitat de innumerables especies animales y vegetales que de alguna manera se convierten o influyen en las fuentes de sustento, directas y/o indirectas, de un alto porcentaje de la población venezolana. Sin embargo, este caudaloso río moviliza una cuantiosa cantidad y variedad de sedimentos. Tan grande es la erosión, transporte y depositación de sedimentos que el río sufre modificaciones morfológicas en su cauce y riberas continuamente durante todo el ciclo hidrológico: creando o desapareciendo islas, modificando sus riberas (creando playas, escarpes o barras de arena), etc.

Así pues, que es de vital

importancia, conocer con detalle como ocurren todos estos procesos modificadores del entorno fluvial y del río mismo. En vista de ello, se plantea como objetivo principal de esta investigación determinar las condiciones del movimiento incipiente de las partículas del lecho del sector Aramaya. Esta caracterización del movimiento de estos sedimentos se basará en la descripción previa de las características hidráulicas del flujo fluvial y de las propiedades geotécnicas y sedimentológicas de los sedimentos presentes en el lecho y posteriormente se determinará el movimiento incipiente de tales sedimentos de acuerdo a criterios de algunos autores que han establecido procedimientos y técnicas para este fin. 2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 2.1 Objetivo General Analizar el movimiento incipiente de los sedimentos del lecho del canal de navegación en el sector Aramaya del río Orinoco, estado Bolívar.

2.2 Objetivos Específicos •

Caracterizar geotécnica y sedimentológicamente los materiales del lecho en el sector Aramaya del río Orinoco.

•

Caracterizar hidráulicamente el sector Aramaya del río Orinoco.

•

Determinar las características del movimiento incipiente de las partículas del lecho del canal de navegación en el sector Aramaya del río Orinoco.

2.3 Ubicación del área de estudio El área de estudio se encuentra ubicada en el río Orinoco a 10 millas náuticas aguas abajo de la población de San Félix, limitada por el Norte con el estado Monagas, por el Sur con el estado Bolívar, por el Este con el sector Los Castillos y por el Oeste con el sector San Félix. Geográficamente se encuentra entre las coordenadas: 8º 32’ y 8º 34’ de Latitud Norte y 61º 29’ y 61º 38’ de Longitud Oeste (Figuras 1 y 2).

Figura 1. Ubicación relativa del sector Aramaya del río Orinoco (Fuente: Propia del autor).

San Roque

SECTOR ARAMAYA Isla Mucura

Estado Monagas

Rio Orinoco

Estado Bolívar

Figura 2. Imagen de satélite del sector Aramaya (Google Earth, 2014) 2.4 Acceso al área de estudio

El acceso al área de estudio se efectúa por vía fluvial desde el puerto de la Corporación Venezolana de Guayana en San Félix, navegando aguas abajo las 10 millas náuticas que separan al área de estudio de esta población. Una alternativa de acceso hasta la ribera Norte del sector Aramaya, específicamente hasta el sitio conocido como San Roque, es factible por vía terrestre a través de un camino engranzonado que se deriva hacia el Sur desde la carretera Los Barrancos de Fajardo a Tucupita en el estado Monagas. 2.5 Características físico naturales generales del área de estudio. 2.5.1 Caracterización climática En general presenta una estación seca y una lluviosa. La lluviosa se presenta en dos fases, una de lluvias torrenciales comprendidas desde Mayo hasta Octubre; y la seca que va desde Noviembre hasta Abril. El bioclima de la zona en estudio se clasifica como: “Bosque seco tropical (bs – T) que se observa desde la milla 160 hasta el Puerto de Matanzas en la milla 194. La temperatura promedio a lo largo del canal, permanece prácticamente inalterable a lo largo de este tramo del canal de navegación y está por el orden de los 27 °C, alcanzando en algunas ocasiones como máxima temperatura 36 °C. La precipitación varía en forma descendente, comenzando desde la milla 30 (sector Boca Grande), con un valor de 2200 mm hasta la población de Matanzas donde se observa un valor de 950 mm. La evaporación media anual y la evapotranspiración tienen valores constantes a lo largo de todo el sector con valores cercanos a 1700 mm en la primera y 1300 mm en la segunda. La dirección reinante de los vientos para la zona es este – noreste con velocidades variables en un rango de 15 a 20 km/h (Consultora Caura, S.A., 1994). 2.5.2 Caracterización biótica. 2.5.2.1 Vegetación

La caracterización de la vegetación se realiza tomando como patrón las riberas del río, por lo cual el tipo de vegetación que se presenta en la ribera sur y en la ribera norte, son diferentes, cada ribera tiene sus propias características. 2.5.2.2 Fauna Se han datado la existencia de más de 200 especies de mamíferos pertenecientes a 31 familias, de las cuales 37 especies presentan un interés económico y cinegenético,. Entre las especies amenazadas, tenemos cinco, que representan el mayor riesgo de extinción: el Perro de Agua (Pteronura brasiliensis),.el Manatí (Trichechus Manatus), la Tortuga Arrau (Podocnemis expansa), el Caimán del Orinoco (Crocodrylus intermedius), el Perro de Agua Pequeño (Lutra longicaudis).

En cuanto a las aves, existen en la zona aproximadamente 1.108 especies, reportándose 41 de ellas que representan interés cinegénetico y económico. No existen aves en peligro de extinción, pero si existen dos especies vulnerables, que son: la Pava rajadora (Pipilipe pipilipe) y el Águila Arpía (Arpia harpija) . De los reptiles, existen en la zona 133 especies, repartidos en 18 familias y especies endémicas: la Culebra de agua (Atractus steyermarkii), la Falsa Coral (Oixiropus trigeminus) y la Bejuquilla (Oxibeles argenteus) . 2.5.2.3 Ictiofauna: El río Orinoco, tiene un ciclo hidrológico bien marcado, que periódicamente introduce cambios en el ecosistema afectando, a todos los componentes internos, tanto de la flora como de la fauna, esto ha generado comportamientos adaptativos acentuándose los mismos en la fauna íctica, cuyos miembros han debido adaptarse para garantizar su supervivencia. Los comportamientos adaptativos, se han centrado en sus ciclos biológicos (períodos de ascenso y descenso de las aguas del río), y los

cambios en la disponibilidad de alimentos, hábitats, etc. , asociados a la periodicidad del río. También se pueden encontrar especies de rápido crecimiento, alta fecundidad y ciclo de vida corto, como lo es el caso del coporo (Prochilodus marine), la palometa (Milossoma duriuventris), la palambra (Bricom sp) y la sapoara (Semaprochilodus laticeps). 2.5.3 Geología El sector en estudio se encuentra limitado al Sur, por las rocas del Precámbrico Inferior del Complejo de Imataca y hacia el Norte por las Formación Mesa del Pleistoceno y Depósitos Aluvionales Recientes del Oriente Venezolano (Monagas); siendo la geología de la parte Sur la que más llama la atención, por ser el flanco donde corre el mayor número de tributarios del Orinoco y también sus distribuidores principales. En el tramo que va desde la milla 160 hasta la milla 172 (millas que demarcan la ubicación del sector Aramaya), tenemos una litología conformada por rocas clásticas no consolidadas (aluviones), que poseen una permeabilidad variable generalmente alta y con una edad aproximada de origen que data del Cuaternario Reciente. Sus suelos poseen texturas medias a arcillosas, muy variables en su distribución y se encuentran intercalaciones de estratos arenosos en el subsuelo, formados por materia muy nueva con alto contenido de mica. La litología puede ser muy variada a lo largo de su lecho, por lo cual los materiales presentes en las márgenes del río y en el centro del mismo casi nunca son iguales.

2.5.4 Río Orinoco La morfología y la actividad sedimentaria se presenta en forma muy dinámica debido a la condición del río Orinoco, el cual actúa como un río con características típicas aluviales, mostrando un fondo inestable que sufre modificaciones de acuerdo a la

carga de los sedimentos, el caudal y la época del año (Tippet, Abbet, McCarthy y Stratton, 1970).

Cuando la capacidad de arrastre de fondo es menor que la tasa de entrada de sedimentos en un tramo del canal de navegación se producen depósitos. La carga anual de sedimentos en suspensión en el río Orinoco está estimada en 400 millones de metros cúbicos (Tippet, Abbet, McCarthy y Stratton, 1970), para un caudal medio del río de 33.000 mil metros cúbicos por segundo (1.160.000 pies cúbicos por segundo). Cabe destacar que estas estimaciones fueron realizadas a partir de comparaciones con otros ríos con gran similitud a finales de la década de los años 70; sin embargo, la cantidad de sedimentos transportados deben haber experimentado una variación de manera ascendente debido a la erosión a la que ha sido sometida la cuenca en los últimos años. 3 MARCO TEÓRICO 3.1 Antecedentes de la investigación Algunos esfuerzos se han realizado hasta la fecha para incrementar el conocimiento sobre el comportamiento hidráulico, geomorfológico y sedimentológico del sector Aramaya que servirán de sustento técnico y metodológico a esta investigación, entre los cuales debemos mencionar los siguientes trabajos: Tippet, Abbet, McCarty y Stratton en 1970, realizaron un estudio al canal de navegación del río Orinoco que se titula “Informe sobre el Transporte de Mineral de Hierro” el cual registra los primeros estudios que se realizaron en el canal de navegación del río Orinoco desde el punto de vista ingenieril, así como también diversos datos técnicos que acerca de la navegabilidad del río Orinoco, de igual

manera datos referentes al tipo de sedimentos de fondo presentes en el río para la época de su diseño y de algunos factores que rigen su dinámica sedimentaria. Corona en 1972 realizó un estudio que lleva por nombre “ Proyecto Orinoco” el cual tenía como objetivo fundamental, encontrar las medidas que debían aplicarse al río Orinoco desde Matanza hasta el Atlántico para tener un mejor aprovechamiento del mismo sin perjudicar el desarrollo que pudiese llevarse a cabo en las zonas aledañas al río. Marcucci (1974), realiza un estudio titulado como “Estudio Estadístico del Dragado en el río Orinoco”, el cual se llevó a cabo entre la milla 42 y la milla 196 durante los periodos 1964–1973, en el mismo se aplicaron parámetros estadísticos que eran utilizados por primera vez en el canal para cálculos de volúmenes y que de una forma muy satisfactoria facilitaron la interpretación de los datos obtenidos durante las labores de dragado de mantenimiento del canal de navegación. En el año 1992, Medina y Echeverría realizaron un estudio titulado “Estudio de Taludes Sumergidos en el Canal de Navegación del río Orinoco” el cual consistió en determinar el comportamiento de los taludes sumergidos del canal de navegación del río Orinoco, en los sectores San Félix, Aramaya y Los Castillos; en este se analizaron diversas características presentes en el canal, persiguiendo establecer las posibles causas que conducían a la inestabilidad de los taludes en esos sectores. Posteriormente, Cueto, Echeverría y Rivas en el año 1993, realizaron un estudio que lleva por nombre “Realineamiento para Garantizar la Seguridad en la Navegación en el sector Aramaya Río Orinoco”, dicha investigación toma como soporte todos los datos registrados en los Departamentos de Dragado, Balizamiento e Investigación de la gerencia Canal del Orinoco del Instituto Nacional de Canalizaciones con el fin de analizar las condiciones existentes en el canal y de esta manera tomar las medidas que fuesen necesarias para la mejora del mismo. 3.2 Bases teóricas

Para el desarrollo de la presente investigación es necesario sustentarla en el conocimiento general y específico hasta ahora establecido sobre el movimiento incipiente de las partículas en ambientes fluviales.

En ese orden de ideas se

presentará a continuación los principios, técnicas, procedimientos y fundamentos básicos siguientes:

3.2.1 Estudio del movimiento incipiente El movimiento incipiente es importante en el estudio del transporte de sedimentos, degradación de canales, y diseño de canales estables. Debido a la naturaleza estocástica del movimiento de los sedimentos a lo largo de un lecho aluvial, es difícil definir con precisión con cuales condiciones de flujo una partícula de sedimento comenzará a moverse. Consecuentemente, esto depende más o menos de la definición del investigador

movimiento

incipiente.

“Movimiento

inicial,”

“movimiento del grano,” “despertar del movimiento” y “movimiento crítico”

son algunos de los términos usados por diferentes

investigadores. A pesar de estas diferencias de definición, se han hecho progresos significativos en el estudio del movimiento incipiente, teórica y experimentalmente (Yang, 1996). Las fuerzas actuantes en una partícula esférica de sedimento en el fondo de un canal abierto se muestran en la Figura 3. En ríos, los taludes de canales son tan pequeños que la componente de la fuerza gravitacional en la dirección del flujo pueden ser despreciadas comparadas con otras fuerzas actuantes en una partícula de sedimento esférico. Las fuerzas a ser consideradas son la fuerza de arrastre F D, la

fuerza de alzamiento FL, el peso sumergido WS, y la fuerza de resistencia FR. Una partícula de sedimento está en estado de movimiento incipiente cuando es satisfecha una de las siguientes condiciones: FL = WS FD = FR MO = MR

(1) (2) (3)

Donde MO es el momento de sobregiro debido a FD y FR, y MR es el momento resistente debido a FL y WS.

Figura 3. Diagrama de fuerzas actuantes en una partícula de sedimento en el flujo de un canal abierto. Además, el criterio de movimiento incipiente es derivado de otros como

el esfuerzo cortante o aproximaciones de la velocidad. 3.2.2 Criterio del esfuerzo cortante: 3.2.2.1 Diagrama de Shields Shields (1936) citado en Yang, (1996) creía que era muy difícil expresar analíticamente las fuerzas actuantes en una partícula de sedimentos. Él aplicó análisis dimensional para determinar algunos parámetros adimensionales y estableció su bien conocido diagrama para movimiento incipiente. Los factores que son importantes en la determinación del movimiento incipiente son el esfuerzo cortante τ, la diferencia en densidad entre el sedimento y el fluido ρs – ρf, el diámetro de la partícula d, la viscosidad cinemática ν, y la aceleración de la gravedad g, Estas cinco cantidades, pueden ser agrupadas en dos cantidades adimensionales, d (τc/ ρf,)1/2 / ν = d U*/ν

(8)

τc / (d(ρs – ρf)g) = τc / (dγ(ρs / ρf) - 1)

(9)

Dónde: ρs y ρf = son las densidades del sedimento y el fluido, respectivamente. γ = peso específico del agua. U* = velocidad de corte. τc = esfuerzo cortante crítico en el movimiento inicial. La relación entre estos dos parámetros está entonces determinada

experimentalmente. La Figura 4 muestra los resultados experimentales obtenidos por Shields y otros investigadores del movimiento incipiente. Un punto sobre la curva, la partícula estará en movimiento. Un punto bajo la curva, entonces el flujo es incapaz para mover la partícula.

Esfuerzo cortante adimensional

Número de Rynolds límite

Figura 4. Diagrama de Shields para movimiento incipiente (Vanoni, 1975 en Yang, 1996). En sus experimentos, Shields midió varios valores de τ / (d(ρs – ρf)g) al menos dos veces tan grandes como el valor crítico y entonces lo extrapoló al punto de cero descarga de sedimentos. Este método indirecto fue usado para evitar la dificultad de determinar la condición precisa a la cual la partícula del sedimento debía moverse. Aunque el diagrama de Shields ha sido ampliamente utilizado por ingenieros como un criterio para el movimiento incipiente, se pueden encontrar muchas insatisfacciones en la literatura. 3.2.3 Criterio de la velocidad permisible:

Según Chow (1994), la velocidad máxima permisible o velocidad no erosionante es la mayor velocidad promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal. Esta velocidad es muy incierta y variable, y sólo puede estimarse con base en experiencia y criterio. En general, los canales viejos y que han soportado muchos periodos hidrológicos permiten velocidades más elevadas que los canales nuevos, asumiendo que las condiciones del lecho de un canal viejo se encuentran estables, en particular con la sedimentación de materia coloidal. Cuando otras condiciones son iguales, un canal más profundo conducirá el agua con una velocidad media más elevada sin erosión que un canal poco profundo. Es probable que esto se deba a que la socavación primordialmente es causada por las velocidades cerca del fondo y, para la misma velocidad media, las velocidades cercanas al fondo son mayores en canales poco profundo, así como también serán elevadas en los taludes del canal. 3.2.2.5 Estudios de Hjulstrom y ASCE Hjulstrom (1935) citado en Yang (1996) hizo un detallado análisis de la data obtenida del movimiento de materiales uniformes. La velocidad en el fondo de un canal, la cual es directamente responsable del movimiento de los sedimentos, es difícil de medir, su estudio estaba basado en la velocidad promedio del flujo. La Figura 5 presenta la relación entre el tamaño del sedimento y la velocidad promedio del flujo para erosión, transporte y sedimentación. La Figura 5 resume las relaciones entre las

velocidades críticas propuestas por diferentes investigadores y el tamaño medio de las partículas y fue sugerido por el Comité de Tarea de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles de Sedimentación para el diseño de canales estables. La relación de velocidad permisible mostrada en la Figura 5 está restringida para profundidades de flujo de al menos 3 pie o 1 metro. Si la relación es aplicada a un flujo de diferente profundidad, debe aplicarse un factor de corrección basado en la fuerza tractiva unitaria crítica equivalente (Mehrota, 1983 en Yang, 1996). τc = γ R1 S1 = γ R2 S2

(11)

Donde R1 y R2 son los radios hidráulicos y S1 y S2 son las pendientes del canal. Asumiendo un coeficiente de rugosidad de Manning y una pendiente del canal que permanezca igual para los dos canales de diferente profundidad, se puede obtener un factor de corrección k a partir de la fórmula de Manning: k = V2 / V1 = (R2 / R1)1/6

(12)

Figura 5. Criterio erosión – depositación para partículas uniformes (Hjulstrum, 1935 en Yang, 1996). 3.2.2.6 Estudios de Yang Asumiendo que el movimiento incipiente ocurre cuando F D = FR. Tenemos que la velocidad crítica adimensional es: Vcr / ω = {[(5.75[log(D/d) – 1] / B] + 1} [(ψ1 ψ2 ψ3) / (ψ2 + ψ3)] 1/2 (13) Donde Vcr = velocidad crítica promedio para movimiento incipiente cr

/ω = velocidad crítica adimensional

B = función de la rugosidad ω = velocidad terminal de caída d = distancia sobre el lecho D = profundidad del agua

ψ1, ψ2, ψ3 = valores determinados experimentalmente Los datos de laboratorio colectados por diferentes investigadores fueron usados por Yang (1973) para la determinación de coeficientes de la ecuación 14. El criterio de movimiento incipiente así obtenido es: Vcr / ω = {2.5 / [log(U* d/ν) – 0.06]} + 0.66,

1.2< U* d/ν <70…….. (14)

Vcr / ω = 2.05,

70< U* d/ν

(15)

La figura 6 resume las verificaciones de laboratorio del criterio de Yang.

Velocidad Adimensional critica

Figura 6.

Relación entre la velocidad promedio crítica adimensional y el número de Reynolds (Yang, 1996).

3.2.3 Otros criterios de movimiento incipiente 3.2.3.1 Criterio de Meyer–Peter y Müller En 1948 estos investigadores desarrollaron una ecuación para la carga de lecho, el tamaño del sedimento en el movimiento incipiente se puede obtener así: d = S D / [K1(n / d901/6)3/2]

(16)

Dónde: d = tamaño del sedimento en la capa externa (en mm). S = pendiente del canal. D = profundidad media del flujo K1 = constante (igual a 0.19 cuando D está en pie y 0.058 cuando D está en metros) n = rugosidad del fondo del canal o coeficiente de rugosidad de Manning d90 = tamaño del material del lecho donde 90% del material es más fino que..

(Yang, 1996) 3.2.3.2 Criterio de Mavis y Laushey Estos investigadores desarrollaron en 1948 la siguiente relación para una partícula de sedimento en su condición de movimiento incipiente: Vb = K2 d1/2

(17)

Dónde: Vb = velocidad en el fondo competente = 0.7 x velocidad media del flujo. K2 = constante ( igual a 0.51 cuando Vb está en pie/s y 0.155 cuando Vb está en m/s). d = tamaño del sedimento (en mm).

3.2.3.3 Criterio de U.S. Bureau of Reclamation El esfuerzo cortante crítico se puede expresar por la fórmula: τc = γ D S Dónde: τc = fuerza tractiva crítica o esfuerzo cortante (en lb/pie2 o gr-m/m2). γ = peso específico del agua (62.4 lb/pie3 o 1 ton/m3). D = profundidad media del flujo (en pie o m).

(18)

La relación entre la fuerza tractiva crítica y el diámetro medio del sedimento para el diseño de canales estables recomendado por el U.S Bureau of Reclamation (USBR) se muestra en la Figura 7 (Yang, 1996).

Fuerza Tractiva crítica

Diámetro medio (mm)

Figura 7. Fuerza tractiva versus el tamaño del sedimento transportable (USBR, 1987 en Yang, 1996). Según Chow (1994), el primer paso para el diseño de canales erosionables mediante el método de la fuerza tractiva consiste en seleccionar una sección de canal aproximada mediante experiencia o mediante el uso de tablas de diseño, recolectar muestras del material

presente tanto en el lecho como en el talud canal y determinar, utilizando estas muestras, las propiedades requeridas. Con estos datos, se procede a investigar la sección mediante el análisis de la fuerza tractiva para asegurar una estabilidad probable por tramos y para determinar la sección mínima que aparece estable. Para canales en materiales no cohesivos, el efecto de rodar hacia abajo a lo largo de la pendiente lateral debe considerarse junto con el efecto de la distribución de las fuerzas tractivas; para canales hechos en material cohesivo el efecto de rodar es insignificante, y el efecto de la distribución de la fuerza tractiva por sí solo constituye un criterio suficiente. Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa sobre el lecho de éste en la dirección del flujo. Esta fuerza la cual es sencillamente el empuje del agua sobre el área mojada, se conoce como fuerza tractiva. En un flujo uniforme la fuerza tractiva en apariencia es igual a la componente efectiva de la gravitacional que actúa sobre el cuerpo de agua, paralela al fondo del canal e igual a wALS, dónde: w: peso unitario del agua A: área mojada L: longitud del tramo del canal S: pendiente del canal Luego, el valor promedio de la fuerza tractiva unitaria  o, es igual a wALS/PL = w RS,

dónde: P: perímetro mojado R: radio hidráulico το = γ w RS

(19)

En un canal abierto ancho, el radio hidráulico es igual a la profundidad de flujo y; por consiguiente το = γ w yS

(20)

En general en los canales trapezoidales con formas utilizadas a menudo, la fuerza tractiva máxima en el fondo es cercana al valor  wyS, y en los lados, cercanas a 0.76 wyS. Según Chow (1994), sobre una partícula de suelo que descanse en la pendiente lateral de una sección de canal (Figura 8) en la cual se encuentra fluyendo agua, actúan dos fuerzas: la fuerza tractiva as y la componente de la componente gravitatoria Ws sen, la cual hace que la partícula ruede a lo largo de la pendiente lateral. Los símbolos utilizados son: a = área efectiva de la partícula. τs

= fuerza tractiva unitaria en la pendiente del canal.

Ws = peso sumergido de la partícula.  = ángulo de la pendiente lateral.

 = Angulo de reposo de la partícula. o = Fuerza tractiva en términos de wyS. w = Peso unitario del gua. L = Fuerza tractiva en el fondo del canal. K = Relación de fuerzas tractivas. La resultante de todas estas fuerzas las cuales forman un ángulo recto es: Ws 2 sen 2φ + a 2τs 2

(21)

Cuando esta fuerza es lo suficientemente grande, la partícula se moverá. A partir del principio de movimiento de fricción en mecánica, puede suponerse que, cuando el movimiento es inminente, la resistencia al movimiento de la partícula es igual a la fuerza normal Ws cos  multiplicada por el coeficiente de fricción, o tan , donde  es el ángulo de reposo. WS cos φ tan θ = Ws 2 sen 2 φ + a 2 τ S

(22)

Figura 8. Análisis de las fuerzas que actúan en una partícula que reposa en la superficie del lecho de un canal. (Chow, 1994). Para el cálculo de la fuerza tractiva unitaria s que causa el movimiento inminente en una superficie inclinada tenemos: Ws tan 2 φ τS = cos φ tan θ 1 − a tan 2 θ

(23) De igual manera, cuando el movimiento de una partícula sobre una superficie es inminente debido a la fuerza tractiva  L, lo siguiente se obtiene a partir de: Ws tan = aτ L

(24)

Al resolver para la fuerza tractiva unitaria L

que produce el

movimiento inminente sobre una superficie plana, τL =

WS tan θ a

(25)

Es necesario resaltar que la relación de s a  L se conoce como relación de fuerza tractiva; ésta es una relación importante para propósitos de diseño. A partir de las ecuaciones anteriores, la relación es K=

τS tan 2 φ = cos θ 1 − τL tan 2 θ

K = 1−

(26)

sen 2 φ sen 2 θ

(27) Es importante resaltar que esta relación es función sólo de la inclinación  del lado inclinado y del ángulo de reposo  del material. Para materiales cohesivos y materiales finos no cohesivos, las fuerzas de cohesión en el agua medianamente limpia, se vuelven tan grandes en comparación con la fuerza gravitacional, que hacen que la partícula ruede hacia abajo, que la fuerza gravitacional llegue a no ser considerada. Por consiguiente el ángulo de reposo necesita ser considerado sólo para materiales gruesos no cohesivos; este tiende a

incrementarse tanto con el tamaño como con la angulosidad del material. Según Chow ( 1994), la fuerza tractiva permisible es la fuerza tractiva máxima que no causa erosión importante en el material que forma una sección de canal. La determinación de la fuerza tractiva permisible está basada en el tamaño de la partícula para materiales no cohesivos y en la compactación o relación de vacíos para materiales cohesivos. Otras propiedades del suelo como el índice de plasticidad o la acción química pueden considerarse como índices para definir con mayor precisión la fuerza tractiva permisible. Por la falta de datos e información precisa acerca de los índices. El U.S Bureau of Reclamation realizó un estudio completo de materiales presentes en diversos canales, obteniendo como resultado una serie de valores que son recomendados para la fuerza tractiva permisible en el diseño de canales, estos desarrollaron de la siguiente manera: a. Para materiales gruesos no cohesivos, con un factor de seguridad suficiente, el Bureau recomienda un valor tentativo para la fuerza tractiva permisible, en lb/pies2, igual a 0.4 veces el diámetro en pulgadas de una partícula para la cual el 25% (en peso) del material es mayor. Esta recomendación se muestra por medio de una línea recta en la tabla de diseño (figura 9).

b. Para material fino no cohesivo, el tama単o especificado es tama単o medio o el tama単o menor que el 50% en peso. Tentativamente se recomiendan tres curvas de dise単o (figura 14): i. Para canales con alto contenido de material fino en el agua. ii. Para canales con contenido de sedimento fino en el agua. iii. Para canales con agua limpia.

Figura 9. Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas por el U.S. Bureau of. Reclamation, para materiales no cohesivos (Chow, 1994).

4 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 4.1 Nivel de investigación De acuerdo al criterio de Arias (1997), la investigación es descriptiva ya que consiste en la caracterización los sedimentos, las condiciones del flujo, la geomorfología y finalmente, las condiciones del movimiento incipiente. 4.2 Diseño de investigación El diseño de esta investigación es de tipo documental y de campo. 4.3 Técnicas e instrumentos de recoleccion de datos 4.3.1 Técnicas de recolección de datos Las técnicas de recolección de datos utilizadas fuerón: la observación directa en campo y el muestreo de los materiales del lecho el cual respondió a uno de tipo opinático por cuando se considera que las muestras en toda el área de estudio tienen las mismas propiedades y son de carácter homogéneo. 4.3.2 Instrumentos utilizados para la recolección de datos Los instrumentos utilizados fueron: Lancha hidrográfica, muestreador de fondo marca Hydroproduct, posicionador satelital global (GPS), ecosonda marca Raytheon modelo 719B, microcomputador, cámara fotográfica, equipo de laboratorio de suelos y equipos de ofimática. 4.4 Población y Muestra La población estará constituida por todos los sedimentos del lecho y el cuerpo de agua comprendidos dentro de los límites del sector Aramaya mencionados anteriormente. Por otra parte, la muestra es de carácter opinático y está constituida por 12 muestras de materiales del lecho tomadas en el sector.

5 RESULTADOS 5.1 Caracterización geotécnica y sedimentológica de los materiales del lecho del canal de navegación en el sector Aramaya del río Orinoco. En primer lugar se efectuó un muestreo de los materiales del lecho en la zona de estudio. En total se tomaron doce (12) muestras (Tabla 1) extraídas función de las profundidades disponibles en la zona de estudio. Cabe destacar que el sector posee en gran parte de su extensión superficial profundidades que superan las capacidades de muestreo de los equipos disponibles.

Tabla 1. Puntos de muestreo en el sector Aramaya del río Orinoco (Coordenadas UTM, Datum La Canoa, elipsoide WGS-84)

N° de Progresiva sección (Millas) 167.8

(1)

168.8

(2)

169.8

(3)

170.8

(4)

Coordenadas UTM de los puntos de muestreo Talud Derecho Centro de Canal Talud Izquierdo (MCC) (MTI) (MTD) N= 941.311 E= 552.505

N= 941.217 E= 552.535

N= 941.152 E= 552.558

N= 940.875 E= 551.200 N= 940.130 E= 549.490 N= 938.850 E= 548.130

N= 940.790 E= 551.240 N= 940.060 E= 549.550 N= 938.775 E= 548.200

N= 940.700 E= 551.275 N= 939.980 E= 549.600 N= 938.715 E= 548.270

Fuente: propia del autor Una vez realizado el análisis granulométrico de las muestras y de acuerdo al método de Clasificación Unificada de Suelo las muestras tomadas resultaron ser arenas gruesas a medias mal gradadas ( Figura 10).

Figura 10. Curvas granulométricas de tres de las muestras ensayadas del sector Aramaya (Fuente: propia del autor). Los ensayos de corte directo arrojaron ángulos de fricción interna en el orden de los 31º (Figura 11).

Figura 11. Diagrama de esfuerzos normales y cortantes de una de las muestras del sector Aramaya (Fuente: propia del autor) En cuanto al análisis de forma de las partículas predominan las formas sub-angulosas y angulosas, lo cual permite inferir que han sufrido poco o moderado transporte (Tabla 2).

Tabla 2. Distribución porcentual según la forma de las partículas en cada muestra tomada del sector Aramaya. (Fuente: propia del autor). SECCION

MUESTRA

ANGULA

SUBANGULAR

SUBRERONDEADO

REDONDEADO

(%)

(%) 167.8

MTI-1

36.5

50.5

10.5

2.5

167.8

MCC-1

50.5

2.5

167.8

MTD-1

52.5

1.5

168.8

MTI-2

32.5

3.5

168.8

MCC-2

30.5

15.5

168.8

MTD-2

169.8

MTI-3

33.5

1.5

169.8

MCC-3

49.5

2.5

169.8

MTD-3

37.5

9.5

170.8

MTI-4

34.5

7.5

170.8

MCC-4

52.5

14.5

170.8

MTD-4

5.2 Caracterización hidráulica del sector Aramaya del río Orinoco. Para la caracterización hidráulica del sector Aramaya se analizarán los parámetros principales que describen el cuerpo de agua como son: las direcciones de corrientes, velocidad de la corriente, los caudales, los niveles del río, y el coeficiente de rugosidad de Manning del lecho y, el área de la sección. Los niveles del río en el sector Aramaya para el período en estudio variaron entre 0.98 m referidos al NAB registrados durante el período de estiaje a finales del mes de Febrero de y 9.23 m referidos al NAB en el mes de Agosto ( figura 12).

Figura 12. Hidrograma del sector Aramaya del año 2000 (Fuente: INC, 2014). Las campañas de aforos para la determinación de caudales y velocidades de corriente no se han realizado en forma sistemática en la última década por parte del Instituto Nacional de Canalizaciones (INC); sin embargo, con los registros históricos de todas las campañas anteriores en las cuales se han efectuado aforos en la sección correspondiente a la milla 167.8, se ha construido la Figura 13 la cual nos permitirá mostrar una correlación de los tres (3) parámetros antes indicados.

Figura 13. Correlación Caudal, Niveles, Velocidad de la corriente en el sector Aramaya (Fuente: propia del autor). Esta correlación permite a futuro estimar valores de caudal y velocidad de la corriente, los cuales son los parámetros de mayor dificultad de medición a través del tiempo, a partir de las mediciones de niveles del río que si son medidos diariamente en forma continua en el limnígrafo de la estación Palúa. Cabe destacar que en la sección de aforo de la milla 167.8 para la fecha de elaboración del levantamiento batimétrico se observó una altura de río de 2.0 m referido al NAB (datum: Nivel de Aguas Bajas), y de acuerdo a la correlación de velocidades, caudales y niveles (Figura C2) se tiene una velocidad de corriente promedio en la sección de 0.63 m/s y un caudal de 9100 m 3/s para un área de la sección de 14450 m2, lo cual se corresponde para el momento de estiaje en el que se realizó el levantamiento batimétrico. Asimismo, de acuerdo a Arreaza (2009) el coeficiente de rugosidad de Manning del sector Aramaya debería guardar congruencia con el estimado para el sector San Félix el cual se encuentra ubicado contiguo aguas arriba del sector Aramaya y debe ser aproximadamente de 0.035. El plano de direcciones de corrientes mostrado en la Figura 14, muestra que el patrón de flujo generalizado del sector tiende a ser casi paralelo a la línea de la ribera norte del área de estudio. Cabe destacar que esto se debe a la forma cóncava de esta ribera donde se manifiestan las mayores velocidades, tal y como es típico en morfologías de ríos en curvas. También se observa que el patrón de flujo tiende a ser transversal a la alineación del canal de navegación en el tramo donde este cambia de dirección.

Figura 14. Plano mostrando líneas de patrones de flujo en el sector Aramaya (Fuente: INC, 2014). Lo anterior se corrobora en la sección transversal presentada (Figura 15) en la cual se muestran mayores profundidades en la parte norte de la sección.

Figura 15. Sección transversal del brazo norte, entre Isla Mucura y la ribera norte del sector Aramaya en la milla 167.8 del plano OODB-5519 del INC (Fuente: propia del autor). 5.3 Determinación de las características del movimiento incipiente de las partículas del lecho del canal de navegación del sector Aramaya del río Orinoco. Para determinar las condiciones de movimiento incipiente de las partículas del lecho del sector Aramaya se utilizarán los modelos expuestos anteriormente. En ese orden de ideas, tenemos: 5.3.1 Aplicación del modelo de Shields: a) Cálculo del esfuerzo cortante (τ): γ =1000 kg-f/m3

D = 14.5 m S = 0.05 m por kilómetro = 0.05 x 10-3. τ = γ D S = 1000 kg-f/m3 (14.5 m) (0.05 x 10-3) = 0.725 kg-f/m2 b) Cálculo de la velocidad de corte (U*): τ = 0.725 kg-f/m2 ρ = 102.041 U* = (τ / ρ)1/2 = (0.725 kg-f/m2 / 102.041)1/2 = 0.0843 m/s c) Cálculo del Número de Reynolds límite (Re*): U* = 0.0843 m/s d = 0.18 mm (de la curva granulométrica Apéndice B, Figura B.1) ν = 0.8 x 10-6 m2/s Re* = U* . d / ν, = (0.0843 m/s) (0.18x10-3 m) / 0.8x10-6 m2/s = 18.96 d) Determinación del esfuerzo cortante adimensional γs = 2410 kg-f/m3 (Marín, 2002) γ = 1000 kg-f/m3 d = 0.18x10-3 m τ = 0.725 kg-f/m2 τ / (γs – γ)d, = (o.725 kg-f/m2) / ( 2410 kg-f/m3 - 1000 kg-f/m3) (0.18x10-3 m) = 2.857 e) En el diagrama de Shields para movimiento incipiente (Figura 4) entramos por el eje de las abscisas con el valor del Número de Reynolds límite =18.96 y por el eje de las ordenadas con el valor del esfuerzo cortante adimensional = 2.857. La intersección de las perpendiculares a los ejes coordenados desde los valores mencionados queda sobre la curva, entonces se dirá que la partícula se mueve. 5.3.2 Aplicación del modelo de Hjulstrom y ASCE

a) En la curva granulométrica (Apéndice B, Figura B.1)se determina el d 50 = 0.18 mm. b) En el gráfico de correlación niveles – caudales – velocidades de corriente (Figura C.2), se determina la velocidad de la corriente igual a 0.63 m/s. c) En el gráfico criterio de erosión – depositación para partículas uniformes (Figura 5), entramos por el eje de las abscisas con el diámetro de las partículas (0.18 mm) y por las ordenadas con la velocidad media del flujo (0.63 m/s) La intersección permitirá definir que la condición existente del sedimento en este flujo es decir, está en proceso de erosión. Por otro lado la velocidad del flujo que permitirá el movimiento incipiente será de 1.5 cm/s. 5.3.3 Aplicación del modelo de Yang Se determina la velocidad crítica adimensional (Vcr/ω) a través de la ecuación (14) Vcr / ω = {2.5 / [log(U* d/ν) – 0.06]} + 0.66 = {2.5 / [log(18.96) – 0.06]} + 0.66 = 2.713 a) En el gráfico de verificación del criterio de movimiento incipiente de Yang (Figura 6), entramos por el eje de las abscisas con el número de Reynolds límite (18.96) y por el eje de las ordenadas con el valor de la velocidad crítica adimensional (2.713) y la intersección nos indicará la condición del movimiento incipiente de la partícula el cual se encuentra en estado de transición. 5.3.4 Aplicación del modelo de Meller – Peter - Müller a) Se determina el d90 de las partículas de la curva granulométrica de los materiales (Figura B1) = 0.38 mm. b) Se determina la profundidad media a partir del plano batimétrico (D) = a 14.5 m c) Se determina la pendiente del canal (S) = 0.05 m cada 1000 m, (según el INC), d) Se aplica el coeficiente de rugosidad de Manning (n) = 0.035 (según Arreaza, 2009).

e) Se determina la profundidad de degradación del canal basado en el criterio de movimiento incipiente de las partículas aplicando la ecuación (16). d = S D / [K1(n / d901/6)3/2] = 0.05x10-3 (14.5 m) [0.058(0.035 / 0.381/6)3/2] = 1.5 mm

5.3.5 Aplicación del modelo de Mavis y Laushey: a) Se determina la velocidad del flujo a través del gráfico de correlación de niveles – caudales y velocidad de la corriente (Figura C2) = 0.63 m/s. Con esta velocidad se calcula la velocidad competente en el fondo (Vb): Vb = 0.70 V = 0.7 (0.63 m/s) = 0.441 m/s. b) Se determina la profundidad de degradación del canal (d) basado en el criterio de movimiento incipiente de las partículas, despejando d a partir de la ecuación (17). d = (Vb / k2)2 = (0.441 / 0.155)2 = 8.095 mm 5.3.6 Aplicación del modelo del U.S. Bureau of Reclamation (USBR) a) Se calcula el esfuerzo cortante crítico con la expresión τc τc = 0.725 kg-f/m2 d50 = 0.18 mm b) En el gráfico de la fuerza tractiva versus el tamaño del sedimento transportable (Figura 7), se entra por el eje de las ordenadas con el valor del esfuerzo cortante crítico 0.725 kg-f/m2.y se intercepta la curva diseñada por el USBR y se obtiene en el eje de las abscisas el tamaño del sedimento para canales estables el cual es de 4 mm aproximadamente, lo cual indica que las partículas de 0.18 mm se encuentran en movimiento. 6 CONCLUSIONES

• Los sedimentos del lecho del sector Aramaya son arenas mal gradadas que presentan un ángulo de fricción interna entre 31° y 33°, mientras que la forma angulosa y subangulosa de sus partículas sugieren que estos sedimentos han sufrido moderado transporte. • La presencia de mayores profundidades y velocidades de corriente en las adyacencias de la ribera norte aunado a los patrones de flujo paralelos a la costa, son condiciones favorables para la ocurrencia de procesos de socavación de la ribera que solo se verán limitados por el control litológico ejercido por las rocas aflorantes del Complejo Imataca en Punta San Roque. • La aplicación de los modelos de movimiento incipiente de las partículas corroboran que las mismas se mantienen en movimiento, toda vez que el rango de velocidades del flujo, tanto en estiaje como en aguas medias, son superiores a las requeridas para lograr el movimiento inicial de las partículas. Sólo el modelo

de Yang arroja que el movimiento de los sedimentos se encuentra en condiciones de transición. • Para las condiciones de flujo que mantenía el sector Aramaya para el momento del estudio se observó que la profundidad de degradación oscila entre 2 mm y 8 mm. Por otro lado, el diámetro medio de las partículas (d50 = 0.18 mm), aunado a las condiciones de flujo del sector, permite concluir que no es un diámetro adecuado para lograr el diseño estable de canales, según el criterio del USBR (d50 = 4 mm). 7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS • • • • •

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• • • • •

Ingeniería Caura, C.A. (1994). Estudio De Impacto Ambiental Del Dragado De Mantenimiento Del Canal De Navegación Del Río Orinoco. Caracas, pp 105-128. Knighton, David. (1984). Fluvial Forms And Processes. Editorial Edward Arnold. Aukland, pp 20-29. Echeverría, Dafnis., Medina, Ramón. (1992). Estudio De Taludes Sumergidos En El Canal De Navegación Del Río Orinoco. Universidad de Oriente. Ciudad Bolívar, pp 4-5. Tippet, Abbet, McCarthy y Stratton Ingenieros y Arquitectos, (1970). Transporte De Mineral De Hierro De Puerto Ordaz Al Mar. Instituto Nacional de Canalizaciones, Caracas, pp 125-132. Yang, Chih Ted. (1996). Sediment Transport. Theory And Practice. Editorial McGraw-Hill. New York, pp 19 – 37.

• Google earth. (2010). www. Googleearth.com. 04 de Enero de 2014