Estudios experimentales de erosión localizada a la salida de una compuerta

Abstract

El fenómeno de erosión localizada constituye uno de los problemas más frecuentes que debe enfrentar quien diseña estructuras en cauces, donde se produce una compleja interacción agua-estructura-suelo. A lo largo de muchas décadas se ha venido logrando avances en el conocimiento de esta interacción, prestándose especial atención a ciertos casos comunes, por ejemplo, la erosión localizada al pie de pilares y estribos, o aguas abajo de alcantarillas y compuertas, etc. Los resultados de estas investigaciones no son ajenos entre sí pues se trata del estudio de casos particulares que también contribuyen a la caracterización del fenómeno de erosión local en general; de este modo el esquema general de erosión va optimizándose a medida que las investigaciones se suceden y, recíprocamente, cada investigación contará con una mejor base teórica para su ejecución. Se trata de un proceso continuo. En vista de la complejidad del fenómeno de erosión local, este no cuenta con un modelo ma­temático que lo describa cabalmente, recurriéndose entonces a su modelamiento físico en laboratorio. La mayor parte de las investigaciones efectuadas a la fecha son por ello de tipo experimental con base en técnicas de hidráulica experimental que sustentan la validez de sus resultados. En el presente caso se ha estudiado el fenómeno de erosión localizada debido a un chorro de agua horizontal que fluye sumergido sobre un solado rígido hacia un lecho móvil erosionable no cohesivo. El chorro es producido por el flujo a través de una compuerta plana deslizante y el sumergimiento es controlado regulando el nivel de agua aguas abajo de esta compuerta. Es un caso particular de erosión que, según ha sido indicado, permitirá dilucidar algunos aspectos del fenómeno de erosión local, basándose en los avances hasta el momento efec­tuados. Se ha tenido como objetivo principal estudiar la variación en el tiempo de las dimensiones de la erosión local producida aguas abajo del solado rígido analizando el efecto de: la velocidad a la salida del chorro, como variable de flujo; la abertura de la compuerta, la longi­tud del solado y el tirante de sumergimiento, como variables de frontera o contorno; y las características del material de lecho, como variables de sedimento. Para ello se ha elaborado un análisis teórico del proceso de erosión local estudiado y se han ejecutado pruebas sobre un modelo físico especialmente diseñado que permitieron verificar las hipótesis planteadas. Como se ha indicado, el modelamiento físico debe seguir ciertas normas de hidráulica expe­rimental cuyo conocimiento es imperativo al emprender un estudio experimental en hidráulica; esta teoría se expone en el capítulo l con base en tres excelentes libros: el escrito por Novak y Cábelka (referencia 12), el escrito por Langhaar (referencia 10) y el escrito por Rouse (referencia 19). Para conocer el estado del conocimiento en el caso de erosión localizada estudiado era necesario recopilar información acerca de investigaciones previas relacionadas al tema. Los más importantes de tales estudios se presentan en el capítulo 2. Hallaremos desde la investigación de Rouse (referencia 18) efectuada en 1939, hasta la investigación de Chatterjee, Ghosh y Chatterjee (referencia 5) efectuada en 1994, con inclusión de la efectuada en 1966 por Carstens (referencia 3), una de las más importantes para el presente estudio. Dado que el estudio experimental debe efectuarse en concordancia con un análisis teórico que brin­de sustento físico a las expresiones que se hallen, este análisis ha sido presentado en el capítu­lo 3, con indicación de las variables que intervienen en el fenómeno y exposición de las hipó­tesis consideradas para el estudio, las que luego serán corroboradas o refutadas por los resul­tados experimentales. En el capítulo 4 se describe el modelo físico utilizado, las técnicas de medición seguidas y se da detalle de las pruebas efectuadas. Luego, en el capítulo 5, se pre­sentan los resultados experimentales obtenidos en las pruebas y los cálculos efectuados con estos siguiendo las pautas dadas por el análisis teórico presentado. La mayor parte de los resultados se presentan en forma gráfica por conveniencia. Finalmente, en el capítulo 6 se exponen las conclusiones obtenidas a partir de todo el estudio, y algunas recomendaciones para quienes deseen efectuar estudios experimentales en modelos hidráulicos. Escribo aquí las palabras del Profesor Ingeniero Francisco Coronado del Águila en el Ciclo de Conferencias INVESTIGACIÓN EN MODELOS FÍSICOS Y MATEMÁTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS desarrollado en el Laboratorio Nacional de Hidráulica en febrero de 2003: “la investigación hidráulica requiere de aquellos que trabajan en las mismas condiciones de co­nocimiento e ingenuidad, con capacidad de observación, concentración y paciencia“. No es un campo sencillo el de la investigación hidráulica en modelos a escala reducida, aún si pudiera parecerlo; espero, mediante el presente informe, contribuir al conocimiento del fenóme­no de erosión localizada a la salida de una compuerta y, asimismo, a la comprensión de que el tratamiento experimental que se preste a determinado caso debe ser abordado con cautela.