Transporte de sedimentos y su determinación (con diagrama)
Lea este artículo para conocer las dos categorías de sedimentos transportados por el agua y su determinación.
(1) Sedimento Suspendido :
Las partículas del suelo que son transportadas por el agua sin entrar en contacto con el fondo del canal se llaman sedimentos suspendidos. Las partículas se mantienen en suspensión por el componente ascendente de la corriente turbulenta. Por supuesto, es cierto que algunas partículas caen sobre el lecho mientras que otras partículas son captadas por el flujo. En el flujo turbulento, los remolinos ascendentes transfieren el sedimento de las capas inferiores de concentración de sedimento pesado hacia la parte superior. Por otro lado, las partículas se depositan bajo la fuerza de la gravedad.
En condiciones estables, los sedimentos se transfirieron hacia arriba con los que cayeron en el fondo. Además, el peso del sedimento suspendido ejerce una presión adicional sobre el lecho del canal que está por encima de la presión del fluido. La concentración de carga suspendida 'C' a una altura y sobre el fondo puede determinarse a partir de la concentración conocida en un punto de referencia en la altura "a" sobre el fondo. La ecuación dada es
donde D es la profundidad del agua
w es, velocidad de caída de un grano en agua sin gas
K es la constante universal de Von Karman = 0.4
V es la velocidad de corte = √τ 0 / p
p es la densidad media del agua y
τ 0 es la intensidad del esfuerzo cortante en la parte inferior
La evaluación de la carga total de sedimentos por metro de ancho del canal se puede realizar integrando el producto de la velocidad y la concentración en toda la profundidad.
(2) Carga de la cama :
Es esa parte del sedimento que se mueve a lo largo del fondo del canal. Los granos avanzan rodando, deslizándose o saltando a lo largo de la cama. El movimiento de los sedimentos a lo largo del lecho se debe principalmente a la resistencia del fluido. Es el componente tangencial total del peso del agua en la unidad de longitud del canal.
Está dada por la expresión:
arrastre fluido = v W AS…. (1)
donde v W = es el peso unitario de agua;
A es área de sección transversal; y
S es la pendiente de la cama
La fuerza de tracción es el arrastre del fluido por unidad de área y se obtiene al dividir A por el perímetro mojado P.
Por lo tanto, τ 0 = v W RS
Para canales anchos R = D
τ 0 = v W DS
Cuando el valor de la fuerza de tracción es tal que los granos simplemente comienzan a moverse, se llama fuerza de tracción crítica y se denota con el término 'τ cr '.
Para canales anchos con lecho liso τ cr viene dado por relación
τ cr = 0.047 (v - v w ) d
donde v es el peso unitario del sedimento y
d es el diámetro del grano.
Por lo tanto, se puede ver que la velocidad de transporte de la carga del lecho es una función de la diferencia de X y X. Por supuesto, no es tan directa porque, con un aumento de la fuerza atractiva, las formas del lecho sufren cambios y se forman ondulaciones. Estas ondulaciones crean una resistencia de forma y absorben parte de la fuerza de tracción. Meyer-Peter y Einstein dan dos ecuaciones que se utilizan generalmente para determinar la velocidad del transporte de carga en la cama.
Ecuación de Meyer-Peter:
Afirma que la carga del lecho transportada por el agua en kilogramos por metro de ancho viene dada por la ecuación
qB es la tasa de transporte de carga de lecho en kg / m / hr.
τ 0 es la intensidad de fuerza de tracción en lecho en kg / m 2
n 'es el coeficiente de Manning para los granos en un lecho plano sin ondulaciones. Se puede obtener de la ecuación.
n '= (Ks) 1/6 / 76
K s es el diámetro efectivo del grano en mm. Es igual al diámetro medio del grano para los granos uniformes muy espaciados. Puede tomarse como d 65 o el valor del diámetro que el 65% del material es más fino para las arenas graduadas.
n es el valor real del coeficiente de dotación en la cama con ondulaciones.
τ cr es la fuerza de tracción crítica en kg / m 2
Ecuación de Einstein:
Einstein adoptó el enfoque estadístico y la función de carga de lecho derivada para la tasa de equilibrio del transporte de carga de lecho cuando el número de partículas depositadas y socavadas fue el mismo. Comparó la probabilidad de erosión de la partícula con la probabilidad de que el peso de la partícula levantada sea menor que el peso sumergido. Al derivar esta ecuación, ha hecho varias suposiciones y adoptado muchos coeficientes experimentales. La probabilidad P de movimiento de partículas del lecho es dada por él como
En la relación anterior, todos los parámetros como ɸ, Ψ, Ƞ 0, A, B son constantes. Ψ, es un parámetro de corte sin dimensiones, mientras que ɸ es un parámetro de transporte sin dimensiones.
Cuando el material del lecho está compuesto de material de grano uniforme, varios parámetros se reducen a ɸ = ɸ y Ψ = Ψ y así sucesivamente.
Dado que la relación anterior es incómoda, correlacionó además dos parámetros adimensionales ɸ y Ψ como ɸ = f (Ψ) con fines prácticos.
Para el material de lecho uniforme, la relación se representó mediante una curva en un gráfico semi-logarítmico con ecuación
0.465 ɸ = e -0.391 Ψ
Dio valor de ɸ mediante la siguiente ecuación:
Dónde
G es la gravedad específica de los granos;
d es el diámetro de los granos;
g es la aceleración debida a la gravedad
v w es el peso específico del agua
Otros símbolos tienen los significados similares ya dados anteriormente.
Además, le dio relación para ɸ como
Ψ = (G - 1) d / R'S
Dónde
R 'es el radio medio hidráulico que existiría si el lecho no estuviera ondulado. Cuando el coeficiente de rugosidad utilizado representa una rugosidad granular, solo R 'se puede calcular a partir de la ecuación de Manning.
Para simplificar el procedimiento, dio una curva en el papel de registro como ɸ = f (Ψ) para uso práctico y se muestra en la Fig. 9.5.
La relación de Einstein-Brown:
Brown trazó los datos en el gráfico log-log y encontró que todos los datos se reducen a una única función lineal del formulario
ɸ = 40 / (Ψ) 3
Esta relación también es útil para calcular el transporte de carga de cama en ciertos casos. Problema 9.7. En un canal muy amplio, se encontró que la concentración de carga suspendida era de 500 ppm a 0, 4 m por encima del lecho. Si la velocidad de caída de un grano en agua sin gas es de 0, 04 m / s y la pendiente del lecho del canal es de 1 en 4500, determine la concentración de carga suspendida a 0, 8 m por encima del lecho del canal. Tome la profundidad de flujo como 2 m.
Solución:
Paso 1. C a 0, 4 m por encima de la cama = 500 ppm = 500 x 10- 6 x 10 3 = 0, 5 kg / m 2
Problema:
Usando la ecuación de Meyer-Peter, calcule la cantidad de carga de cama transportada por el agua en un canal ancho que tenga las siguientes dimensiones:
