8.6: Flumes

Más allá del límite de la terminología oficial, los sedimentólogos a menudo se refieren a la flumología, presumiblemente es decir, la ciencia y el arte de adquirir conocimiento y comprensión de los procesos sedimentarios físicos al pasar el agua y los sedimentos a través de canales abiertos de laboratorio, llamados canales. Pensé que podría ser útil incluir esta breve sección sobre los canales antes de lanzarlo a los capítulos que tratan del transporte de sedimentos, porque gran parte de nuestra comprensión del transporte de sedimentos se ha desarrollado observando y midiendo el movimiento de sedimentos en canales (y canales de flujo oscilatorio y tanques también). Me referiré a los experimentos de flume a menudo en próximos capítulos.

Los diccionarios definen los canales como canales artificiales para el transporte de agua. Sin embargo, eso no es lo suficientemente restrictivo para nuestros propósitos: los canales diseñados para usos no científicos suelen ser bastante empinados y de estructura cruda. En el contexto de estudios científicos y de ingeniería, podría definir un canal como un canal de laboratorio a través del cual se pasa líquido para estudiar procesos y fenómenos hidráulicos en condiciones controladas.

Los canales se construyen tanto en interiores como en exteriores. Uno de los canales más famosos, al menos entre los geólogos, fue el canal de G.K. Gilbert, al aire libre en el campus de la Universidad de California en Berkeley. Alrededor del cambio del siglo XX Gilbert realizó un estudio pionero de modos y procesos de transporte de sedimentos por corrientes, lo que se erige hasta el día de hoy como una valiosa fuente de datos e ideas. Pero los ingenieros hidráulicos habían estado usando canales durante décadas antes de eso.

Los canales están construidos de madera, metal, vidrio o plástico. Cada material tiene sus ventajas y desventajas. La sección transversal suele ser pero no siempre rectangular. Las anchuras suelen ser de varios centímetros a unos pocos metros, y las longitudes van desde unos pocos metros hasta más de cien metros. El canal de recirculación más grande del mundo se encuentra en la Universidad de Tsukuba, en Japón; tiene 160 m de largo y 4 m de ancho, y puede recircular tanto agua como sedimentos. Estoy seguro de que cualquier observador objetivo la consideraría como una estructura impresionante. (Ciertamente lo hice, cuando me lo mostraron por primera vez.) No estoy seguro de dónde está el canal basculante más grande.

La tecnología de construcción de todos los canales excepto los más grandes es sencilla, y los problemas se resolvieron en su mayor parte hace mucho tiempo. En los canales de recirculación de sedimentos, la decisión de diseño más crítica gira en torno al tipo de bomba utilizada y/o la disposición para extraer el sedimento del flujo y entregarlo a la cabeza del canal.

Los canales son solo un tipo de equipo hidráulico a gran escala que se utiliza para estudiar el movimiento de sedimentos. Los canales, que transportan flujo de superficie libre unidireccional impulsado por gravedad, son distintos de los conductos y conductos cerrados, también ampliamente utilizados para estudios hidráulicos, que tienen flujo impulsado por gradiente de presión sin una superficie libre. Los conductos cerrados se pueden usar para flujo unidireccional, oscilatorio o combinado. También son ampliamente utilizados los tanques o cuencas simples dispuestos principalmente para flujos oscilatorios bajo ondas de gravedad superficial.

Ventajas de los canales:

• el transporte de sedimentos es relativamente fácil de observar y medir
• procesos particulares pueden ser aislados para su estudio

Desventajas de los canales:

• el flujo y la sedimentación pueden simplificarse en exceso
• la escala física del flujo y el movimiento de sedimentos suele ser demasiado pequeña

La pendiente del canal puede ser fija o ajustable; la mayoría de los canales, excepto los más grandes, son inclinables. Pero cuando se trabaja con el transporte de sedimentos, su canal realmente no necesita estar inclinado, porque el flujo mismo redistribuye el sedimento para producir un lecho sedimentario con pendiente igual a la pendiente de energía ya que se establece un flujo uniforme. Si prepara un lecho de sedimento plano y uniforme y luego establece un flujo sobre él, si la pendiente del canal es demasiado pronunciada, habrá erosión cerca del extremo aguas arriba y deposición cerca del extremo aguas abajo hasta que se alcance un flujo uniforme sobre un lecho de sedimentos que se estrecha aguas arriba (Figura\(\PageIndex{1}\) A). Por el contrario, si se inicia con una pendiente de canal que es demasiado suave, el resultado es un lecho que se estrecha aguas abajo (Figura\(\PageIndex{1}\) B). Solo tienes que asegurarte de que la pendiente del canal con la que comienzas esté lo suficientemente cerca de la pendiente para un flujo uniforme que tengas un lecho completo de sedimentos por todas partes del canal una vez que el flujo deja de ajustarse a la uniformidad.

Figura\(\PageIndex{1}\): A) Un flujo uniforme de transporte de sedimentos en un canal con un piso menos empinado que la pendiente de la superficie del lecho y la superficie del agua. B) Un flujo uniforme de transporte de sedimentos en un canal con un piso más empinado que la pendiente de la superficie del lecho y la superficie del agua.

Los canales varían en sus arreglos para la recirculación de agua y sedimentos. Lógicamente existen cuatro posibles combinaciones de recirculación; ver Figura\(\PageIndex {2}\).

Figura\(\PageIndex {2}\): Disposiciones diferentes para la recirculación de agua y sedimento en canales.

Agua no, sedimento no (Figura\(\PageIndex {2}\) A). Este arreglo es poco común, ya que está limitado por el suministro de agua. Solo los laboratorios ubicados cerca de presas en grandes ríos pueden permitirse el lujo de ejecutar grandes descargas de agua a través de canales sin recirculación. Además, la temperatura del agua no se puede controlar de forma independiente. Y si no coges el sedimento, lo pierdes.

Agua no, sedimento sí (Figura\(\PageIndex {2}\) B). Se aplican los mismos comentarios que en el caso anterior, salvo que no se pierda el sedimento.

Agua sí, sedimento no (Figura\(\PageIndex {2}\) C). Este arreglo es más común. Sus ventajas son que la descarga de sedimentos se impone independientemente sobre el flujo. Pero puede ser un desafío técnico separar todo el sedimento del agua y luego alimentar nuevos sedimentos en el extremo aguas arriba.

Agua sí, sedimento sí (Figura\(\PageIndex {2}\) D). Este arreglo es más sencillo y también común. Aquí el flujo establece su propia descarga de sedimentos; no se puede imponer la descarga de sedimentos en el sistema. Siempre que el sedimento no sea demasiado grueso, esta es la disposición más fácil tecnológicamente. Pero es difícil hacer arreglos para gravas.

Hay dos disposiciones diferentes para los canales de recirculación de agua:

Figura\(\PageIndex{3}\): A) Un canal de recirculación de circuito cerrado. B) Un canal de recirculación de caída libre.

Flumes excedentes (Figura\(\PageIndex{3}\) A). En algunos canales, que llamaré canales de desbordamiento, hay un sobreceso libre en el extremo aguas abajo del canal en una caja de cola separada, de la cual se bombea agua (y en muchos casos también el sedimento) a la cabeza del canal. En tales canales, la profundidad de flujo en flujo uniforme se fija por la descarga de agua impuesta y la rugosidad del lecho. Se puede establecer o ajustar la pendiente solo jugueteando con un vertedero o compuerta de algún tipo en el extremo aguas abajo del canal, para cambiar la profundidad del agua y por lo tanto la velocidad media.

Canales de circuito cerrado (Figura\(\PageIndex{3}\) B). En otros canales, que llamaré canales de circuito cerrado, no hay desbordamiento en el extremo aguas abajo; el flujo pasa continuamente a la caja de cola, para ser bombeado de nuevo a la cabeza del canal. En los canales de circuito cerrado, la profundidad de flujo se fija por el volumen de agua en el sistema. Se impone la descarga de agua y profundidad de flujo y con ello la velocidad media, que a su vez determina todos los aspectos del transporte de sedimentos así como la pendiente.

Tanto los canales de sobrecaída como los canales de circuito cerrado son de amplio uso. Cada uno tiene ventajas y desventajas. Se utilizan para fines ligeramente diferentes, a los que voy a tocar de pasada en capítulos posteriores.

Verá, en el Capítulo 13, sobre sedimentos de tamaño mixto, que las diferencias entre los canales de alimentación de sedimentos y los canales de recirculación de sedimentos tienen implicaciones significativas (Parker y Wilcock, 1993). En un canal de alimentación de sedimentos, la descarga de sedimento se impone sobre el flujo y el flujo debe ajustarse para lograr el transporte necesario de todas las fracciones de tamaño en la mezcla de alimentación. En los canales de recirculación de sedimentos, no existe tal restricción: el flujo es libre de ajustar su comportamiento de transporte de sedimentos sin que se imponga ninguna restricción externa, excepto para la descarga de agua y el material del lecho.

Referencias Citadas Capítulo 8

Parker, G., y Wilcock, P.R., 1993, Alimentación de sedimentos y canales de recirculación: Una diferencia fundamental: Journal of Hydraulic Engineering, v. 119, p. 1192- 1204.