FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA DE HUAYCOS Por:
Dr.-Ing. Over Diaz-Onofre Especialista en Hidráulica e Hidrología
[email protected] XIV Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Iquitos - Perú 2003
Resumen El artículo trata los fundamentos teóricos de la hidráulica de huaycos. Se menciona su desarrollo, como se pronostica, que tipo de flujo es, modelos de resistencia al flujo y el control de huaycos.
1.0 INTRODUCCIÓN Los huaycos (lavas torrenciales) son fenómenos naturales muy conocidos en el Perú desde muy antaño. Los huaycos se desarrollan normalmente en las partes altas de una cuenca, en lugares donde existe una abundante fuente de material, el cual puede ser puesto en movimiento por la presencia del agua. Tal condición se presenta generalmente en laderas montañosas con material coluvial o en laderas con una composición de material que es susceptible a la acción disgregadora del agua. El agua en este caso proviene comúnmente de las lluvias. En este artículo se tratara de presentar una síntesis muy breve de los fundamentos de la hidráulica de huaycos.
2.0 DONDE SE DESARROLLA? Si observamos el plano de una cuenca podemos observar que el huayco se desarrolla en la parta alta de la cuenca producto de los deslizamientos o desprendimientos de material de las laderas de los cerros (curso superior del río, cono de erosión ver Fig.1).
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Fig. 1 Desarrollo de los huaycos
3.0 COMO PRONOSTICAR LA APARICIÓN DE HUAYCOS? Tratar de predecir el momento crítico en el cual ocurre un huayco es una situación realmente compleja ya que su ocurrencia depende de muchos factores. Entre estos factores podemos nosotros contar por ejemplo a la intensidad de la precipitación, tipo de terreno, cobertura vegetal, forma de la cuenca, etc. A pesar de la complejidad del asunto existe sin embargo algunos intentos realizados por algunos investigadores para poder determinar o pronosticar la aparición de un huayco, aquí podemos mencionar por ej. una relación en términos hidrológicos propuesta por Chen (1985) (véase Wan y Wang(1994)) y un gráfico en términos hidráulicos propuesto por Takahashi (1991). a) En función de parámetros hidrológicos Chen (1985) analizó datos de aproximadamente 100 eventos de lluvia y de decenas de huaycos en una cuenca china y relacionando la intensidad de la precipitación en 10 min y la lluvia acumulada antecedente a la aparición del huayco obtuvo el siguiente criterio para determinar su presencia (véase también la Fig. 2):
10.33I10 Pa 62 mm
(1)
I10 = Intensidad de precipitación de 10 min o la máxima precipitación en 10 min Pa = Factor de precipitación acumulada en 20 días recientes
Pa P0 0.8P1 0.82 P2 0.83 P3 ... 0.820 P20
(2)
P0 = precipitación justo antes de la precipitación más intensiva de 10 min Pi = Precipitación del día i, i días antes que la precipitación P0
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Fig. 2 Precipitación crítica para Huaycos
b) En función de parámetros hidráulicos Takahashi(1991) elaboró por medio de datos de medición un gráfico para determinar la ocurrencia de huaycos en función de la pendiente del río S y el parámetro q/g1/2 d3/2 (ver Fig. 2). S es aquí sen, es el ángulo de la pendiente del río, q es el caudal por unidad de ancho, g es la aceleración de la gravedad y d es el diámetro medio de las partículas. En el grafico la región definida por los números V y VI señala la ocurrencia de huaycos.
Fig. 3 Ocurrencia de Huaycos
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4.0 A QUE DISCIPLINA
PERTENECE, QUE TIPO DE FLUJO ES?
Los huaycos no pueden ser tratados normalmente dentro del campo de la hidráulica fluvial. Sus características las cuales en primer lugar llegan a ser marcadas grandemente por su alta concentración la hacen digna de un estudio especial. Los huaycos son un tipo especial de flujo superconcentrado (Wan y Wang (1994), Julien (1995)), entendiéndose aquí por flujo superconcentrado a aquellos flujos que presentan una concentración en volumen que rangean desde los 5 al 60% según datos de Julien (1995). Cierta
confusión
puede
causar
en
la
literatura
científica
el
término
„flujo
superconcentrado“, ya que por un lado se utiliza para caracterizar a todo tipo de flujo que presente concentraciones mayores al 5% (como ya se mencionó arriba) y por otro lado se usa para identificar un tipo de flujo que viene a ser una especie de subconjunto de los flujos superconcentrados. Para poder marcar la diferencia Julien (1995) le llama al conjunto de flujos
superconcentrados
„Superconcentraciones“
y
al
subconjunto
„flujo
superconcentrado“. En las figuras y en una tabla que se verán a continuación el término flujo superconcentrado indicara un tipo de flujo que como se dijo forma parte de las Superconcentraciones.
La hidráulica de huaycos ha sido claramente fijada como una disciplina a parte por Meunier (1991) (véase figura 4) . Flujos con una alta concentración y con pendientes que van desde los 30 a los 50% marcan el inicio de la formación de Huaycos según él. Así también flujos naturales con pendientes que van desde los 2 al 6% marcan el inicio de los flujos superconcentrados. La hidráulica fluvial como disciplina caería dentro del rango de pendientes naturales menores que el 2%. Importante y practico es saber que las formulas clásicas de hidráulica fluvial podrían ser usadas con buena aproximación hasta una pendiente natural que van desde los 7 al 10% para relaciones Qs/Ql400
Viscoplastico?
Newtoniano
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Tabla 2.0 Clasificación reológica general de flujos de agua y sedimento en ríos – continuación de tabla 1.0 Flujo
Flujo Torrencial (Water Flood) Flujo Superconcentrado (Hyperconcentrated Flow) Huayco (Debris Flow)
Mayor Viscocidad Velocidad Perfil de mecanismo de (poise) de caida concentración soporte de los (% de agua de sedimentos sedimentos clara) Fuerzas 0.01-20 100-33 No uniforme electrostáticas, turbulencia Empuje, esfuerzo 33-0 No uniforme a 20-200 dispersivo, uniforme turbulencia 0 Cohesión, empuje, >>200 Uniforme esfuerzo dispersivo, soporte estructural
Tipo de flujo predominante
Turbulento
Turbulento a laminar Laminar
El investigador francés Coussot clasifica los huaycos utilizando como parámetros la concentración y la granulometría del material sólido (ver fig. 5). El flujo torrencial, flujo superconcentrado así como también los deslizamientos de suelos llegan a ser contemplados dentro de su clasificación de flujos.
Fig. 5 Clasificación de flujos según Coussot. Figura tomada de la web. Mas información se puede encontrar en Coussot (1997).
Según Wan y Wang (1994) los huaycos se diferencian de un flujo superconcentrado normal principalmente debido a que los huaycos se presentan repentinamente tienen una naturaleza catastrófica y también una alta capacidad para arrastrar material sólido. En un flujo 6
superconcentrado el líquido fluyente aún controla el movimiento y la deposición de los sedimentos y la energía consumida en el curso del movimiento del sedimento proviene principalmente de la fase liquida. En un Huayco una considerable parte de la energía que soporta el movimiento de las partículas es proveída por la energía gravitacional de la fase sólida. La energía abastecida por la fase sólida por unidad de volumen y por unidad de distancia se puede calcular por medio de la fórmula:
Ed γs CvS
(3)
donde S es la pendiente de energía, Cv es la concentración en volumen de la fase sólida y s es el peso específico de la partícula. La línea en la figura 6 que divide las áreas de flujo superconcentrado y de huaycos fue trazada utilizando el valor:
0.01( g / cm 3 ) Cv γ sS
(4)
Ed fue tomado en este caso igual a 0.01 en la fórmula de energía. Según Wan y Wang (1994) el valor Ed=0.01 (g/cm3) puede ser usado para diferenciar los huaycos de los normales flujos superconcentrados así si la pendiente y la concentración son más altas que Ed>0.01 (g/cm3) el flujo pertenece a la categoría de un flujo huayco.
Fig. 6 Distinción entre flujo superconcentrado y huayco según Wan y Wang (1994)
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5.0 FÍSICA DE HUAYCOS. RESISTENCIA AL FLUJO Para poder entender la física de los huaycos es necesario tener muy bien definidos los conceptos de la mecánica de suelos y de los fluidos. El flujo "Huayco" es una mezcla bifásica (agua-sedimentos). La mezcla que fluye puede llegar a transportar sin problemas bolones o piedras muy grandes de por ej. 1 m de diámetro, de ahí su gran peligrosidad. Para poder caracterizar el material que compone el flujo (reología) existe esencialmente dos métodos: 1) considerar al flujo total (fluido y sólidos) como si fuera un „solo fluido“ con propiedades particulares (Modelos esfuerzo de fluencia-deformación) y 2) estudiar al agua (en algunos casos con algo de sedimentos finos) y el material grueso separadamente (Modelos grain-flow). A continuación se presenta un par de modelos perteneciente al primero y segundo métodos. Costa (1988) define el movimiento del flujo partiendo de las conocidas ecuaciones de esfuerzo cortante para suelos y fluidos. si en suelos el esfuerzo cortante es (modelo de Coulomb):
s c tan
(5)
y en fluidos el esfuerzo cortante es (modelo de Newton):
a
dv dy
(6)
luego la unión de las dos relaciones debe definir el movimiento de la mezcla (Huayco). Así tenemos:
c tan
dv dy
(7)
es aquí igual al esfuerzo cortante, c es la cohesión, es el esfuerzo normal, es el ángulo de fricción interna, es la viscosidad dinámica, v es la velocidad del flujo y y es una distancia vertical al flujo. La ecuación (o modelo matemático) (7) es llamada relación "Coulomb-viscoso". Por medio de esta ecuación se puede llegar a obtener otras relaciones o fórmulas para el estudio de los huaycos (por ej. fórmulas de velocidad, altura del flujo, etc.). Takahashi (1991) modeló huaycos considerándolos
como flujos dilatantes (aumentan el
volumen cuando están sometidos a un esfuerzo cortante) basado en resultados experimentales de Bagnold. Usando el concepto de fuerza dispersiva P de Bagnold luego el esfuerzo cortante del huayco seria:
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τ Ptanθ
(8)
donde es igual al esfuerzo cortante, P es la fuerza dispersiva y es el ángulo dinámico de fricción interna.
6.0 CONTROL DE HUAYCOS Conocidos son los métodos que existen para prevenir o controlar los huaycos. a) Atacar la raíz del problema Si los huaycos se producen prácticamente por el derrumbe de material de las laderas de los cerros en la parta alta de la cuenca (ver fig. 1), tratar de estabilizar las laderas de los cerros vendría a ser la solución lógica inmediata. Reforestación, Drenaje y la Estabilización de laderas son los términos técnicos adecuados que se podrían manejar para poder prevenir el derrumbe o deslizamiento de las laderas. b) Aminorar sus efectos destructivos Si a pesar de nuestros esfuerzos se hace inevitable la presencia de los huaycos debemos llevar a cabo medidas para poder aminorar los efectos destructivos de este. Su gran poder de destrucción se debe prácticamente a que su flujo se moviliza a velocidades muy altas, por ej. la velocidad más alta reportada por los chinos alcanzo los 13,4m/s (Wan y Wang (1994)) . En este caso es una regla completamente muy practica el aminorar su velocidad disminuyendo la pendiente del cauce. Para lograr este objetivo se escalona el cauce poniendo cortinas espaciadas en el tramo de pendiente fuerte del río. Creando pequeños embalses se logra disminuir la pendiente del río por sedimentación. Los tipos de cortina que se construyen generalmente para disminuir la pendiente del río se pueden observar en la Fig. 7. Estas cortinas varían en forma según el uso que se les da, algunas por ej. filtran el material que pasa, otras se limpian casi automáticamente, unas capturan la palizada que pasa, etc.
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Fig. 7 Tipos de cortinas
Un gráfico elaborado por los suizos, basado en sus experiencias, y que se puede usar para diseñar cortinas de retención es presentado en la Fig. 8.
Fig. 8 Tamaño de cortinas (Vischer y Huber (1993))
Una manera de aminorar también los efectos destructivos del flujo huayco se consigue construyendo derivadores en la parte alta de la cuenca, específicamente en el área de ocurrencia de los huaycos. Desviando parte del flujo por medio de canales de derivación hacia otra cuenca o hacia algún lugar inhabitado se puede reducir la descarga de la avenida y también la energía cinética del flujo.
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c) Sistemas de alarma A la fecha son ya conocidos los sistemas de alarma a control remoto. Estos sistemas de alarma han sido eficazmente probados en el Japón y en la China. El principio consiste prácticamente en detectar las vibraciones que se producen en el área de ocurrencia de huaycos. Los sensores de vibración colocados pueden enviar señales a muchos kilómetros de distancia aguas abajo del río y de esa manera se puede alertar a la población o tomar las medidas respectivas para contrarrestar los efectos de los huaycos.
7.0 REFERENCIAS 1. Costa, J. (1988) Rheologic, Geomorphic and sedimentologic differentiation of water floods, hyperconcentrated flows, and debris flow.(pp 113-122). In Flood geomorphology. Edited by Baker, V. R., Kochel, R. C. and Patton, P.C. (1988), John Wiley &Sons, Inc. 2. Coussot, P. (1997) Mudflow Rheology and Dynamics, IAHR Monograph Series, Published by A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands. 3. Meunier, M. (1991) Éléments d’hydraulique torrentielle, CEMAGREF,Grenoble, France. 4. Takahashi, T (1991) Debris flow. IAHR Monograph Series, Published by A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands. 5. Vischer, D. und Huber A. (1993) Wasserbau, 5. Auflage, Springer-Verlag, Germany. 6. Wan, Z. and Wang, Z. (1994) Hyperconcentrated Flow, IAHR Monograph Series, Published by A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
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