Informe de Avance No 1: Investigación de Campo y Numérica de Corrientes Secundarias para Calcular la Erosión de Márgenes en Curvas de Cauces Aluviales

VIONNET CA; RAMONELL C

2007-07-31/2008-12-31

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Informática (software)

Rec.Hidr.-Crecidas, inundaciones y sequias

La predicción de las tasas de erosión de márgenes es de gran interés práctico, puesto que en ocasiones la suerte de propiedades privadas y de obras públicas como ser paseos y puentes depende de la estabilidad de la margen expuesta a la acción erosiva de la corriente. El tema, paralelamente, ha despertado un considerable interés en la comunidad científica internacional. Es así que en las últimas décadas se ha acumulado suficiente evidencia experimental y teórica que señala el complejo rol que desempeñan las corrientes secundarias en los procesos de erosión de márgenes. En particular, la traza meandriforme que exhibe un cauce aluvial en ciertos tramos induce la formación de corrientes secundarias, las que se caracterizan por la persistente presencia de un flujo y una pendiente transversal a la dirección principal del escurrimiento. En respuesta a dicho flujo, el lecho sobre la margen externa o convexa suele socavarse, conduciendo al colapso ocasional de la margen. El proceso en sí es sumamente complejo de comprender, puesto que involucra la determinación de un flujo turbulento tri-dimensional (3D), del aporte de sedimentos desde aguas arriba, de la erosión local del lecho y del posterior transporte del material, así como de la socavación del pie del talud de la margen y su posterior falla mecánica. Sin embargo, a pesar de la complejidad del problema, es factible diseñar un esquema de aproximaciones sucesivas que permita ir avanzando en la comprensión de la física del problema. Específicamente, es posible capturar los rasgos más esenciales de la hidrodinámica del flujo local  con un sencillo modelo matemático 1D, denominado LDM, por su sigla en inglés de Lateral Distribution Method. El LDM tiene el atributo de representar la distribución lateral de caudales unitarios a lo ancho de una determinada sección transversal del río, función de la geometría local de la sección y del flujo de agua que escurre por ella. Una vez conocida la distribución lateral de caudales, es posible utilizar fórmulas de transporte de sedimentos, tanto longitudinal como trasversal, que incorporen los cambios esperados en la morfología de la sección ante cambios en la hidrología del río. En segundo lugar, es posible reformular el método a fin de incorporar mecanismos de segundo orden como son las corrientes secundarias. En etapas posteriores, se podrá ir adicionando complejidad al enfoque mediante una modelación 2D, y eventualmente 3D. En todos los casos, y con independencia del número de dimensiones resueltas, es necesario recurrir a técnicas numéricas que resuelvan las ecuaciones de gobierno adoptadas. Objetivos: en el marco del presente Convenio Específico de Cooperación y Asistencia CORIPA – UNL, se propuso desarrollar un código computacional basado en el LDM que incorpore parte de los procesos hidro-sedimentológicos observados en ríos de cauces arenosos, y que tenga el atributo de ser amigable y técnicamente útil para el ingeniero interesado en diseñar obras de protección contra la erosión de márgenes. Con el propósito de alcanzar dicha meta, se propuso expandir el conocimiento ingenieril actual del problema avanzando en dos frentes diferenciados, aunque complementarios. En una primera etapa se propone determinar las distribuciones del flujo primario y secundario en una curva de un curso aluvial mediante mediciones intensivas con un correntímetro acústico Doppler (ADCP). Para ello, se seleccionó un tramo de río aledaño a la ciudad de Santa Fe que exhiba signos de erosión progresiva en una de sus márgenes. En una etapa ulterior, y a partir de la parametrización de los resultados de campo obtenidos en la primera etapa, se propuso modelar numéricamente la influencia de las corrientes secundarias en los procesos locales de erosión y transporte de sedimentos, y con ello, en la evolución morfológica de la margen. Producto Final: al día de hoy existen suficientes mediciones de campo para validar el código en elementos finitos desarrollado a los efectos de cumplimentar parte de los objetivos propuestos. Al presente, el código resuelve los aspectos clásicos del LDM, restando incorporar los fenómenos de las corrientes secundarias y el proceso de erosión generalizada de la sección transversal. Se está renegociando una extensión del convenio.