Estudio experimental de la influencia de la permeabilidad en la erosión local de espigones de troncos de árboles

Abstract

En la siguiente investigación se realizaron una serie de 5 experimentos para estudiar la influencia de la permeabilidad en la socavación local alrededor de la punta de un espigón y el efecto de esta permeabilidad sobre la velocidad en los bancos. Se colocó un espigón permeable de 0.51 m de largo y un ancho de 0.261 m en el lado derecho de un canal rectangular. Los espigones estaban formados por piezas de madera cilíndricas que representaban troncos de árboles. Estos troncos fueron entrelazados para formar un prisma rectangular emulando el atasco natural de los troncos de árboles formando un espigón tipo Engineered Log Jam (ELJ). Las permeabilidades de estas estructuras oscilaron de 28 % a 51 %. Los ensayos se realizaron en un canal de 12 metros de largo con un ancho interior de 1.9 m. Se ensayó una serie de caudales con un valor máximo de 155 L/s. La configuración inicial del lecho tuvo una pendiente de 0.0008 m/m. El lecho estuvo compuesto por arena cuyo diámetro medio D50 fue 0.204 mm. Se utilizó un velocímetro acústico Doppler (ADV) por sus siglas en inglés para realizar la medición de velocidades en 3D en las secciones transversales seleccionadas y alrededor del espigón. Un escáner topográfico 3D de alta resolución se utilizó para realizar el levantamiento del lecho luego de cada ensayo. Se utilizaron espigones cuyo porcentaje de permeabilidad fue de 28%, 36%, 42.5 %, 45.5 % y 51 %. Para estas permeabilidades las máximas socavaciones locales halladas fueron de 0.225 m, 0.092 m, 0.090 m, 0.088 m y 0.087 m respectivamente. Se determinó que un valor óptimo de la permeabilidad del espigón para minimizar los efectos de la socavación local está en el rango de 42.5 % a 51 % mientras que la óptima permeabilidad para el control de velocidades tanto en la punta como en el banco del espigón está en el rango de 45.5 % a 51 %. En la práctica se puede utilizar un valor en el rango de 45.5 % de permeabilidad como criterio de diseño de espigones permeables cuando un proyecto requiera minimizar la erosión local en un espigón.

The present investigation consists on a series of 5 experiments conducted to study the influence of groyne permeability on the local scour at the groyne tip in addition to the influence of this permeability on the flow velocity in banks. One permeable groyne, whose length (perpendicular to the flow direction) was 0.51 m (1.67 ft.) and whose width was 0.261 m (0.857 ft) was placed on the right side of a rectangular channel. Groynes were made up of cylindrical wood pieces that represented tree trunks. They were interlocked to form a rectangular prism that was a scaled down Engineered Log Jam (ELJ) groyne. Permeabilities of these structures ranged from 28% to 51%. Tests were carried out in a 12 m (39.4 ft) long flume whose inner width was 1.9 m (6.23 ft). Maximum discharge was 155 L/s. Initial bed slope was 0.0008 m/m. The streambed was composed by sand whose average diameter, D50, was 0.204 mm. An Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used to measure and map 3D velocities at selected cross sections and around the groyne. A 3D laser scanner was used to capture bed topography before and after the tests. As a result of the experiments it was observed that local scour at the groyne tip decreases when groyne permeability increases. ELJ groyne permeabilities were 28%, 36%, 42.5%, 45.5% and 51%. For these permeabilities local maximum local scour, recorded at the groyne tip were 0.225 m, 0.092 m, 0.090 m, 0.088 m and 0.087 m, respectively. A practical lower limit for maximum local scour was found when the groyne permeability was between 42.5 and 51% while the optimum permeability for speed control at both the tip and bank groyne was between 45.5 and 51%. In the practical a 45.5% permeability of ELJ groyne may be included as a design criterion when local scour is reduced in an erosion control project.