Hidráulica de suelos: flujo en medios porosos, permeabilidad y gradientes
Resumen
El documento presenta los conceptos básicos de hidráulica del suelo y del flujo de agua en medios porosos. Explica tipos de flujo (estacionario, transitorio, laminar y turbulento), parámetros como la velocidad de infiltración y el gradiente hidráulico, y el gradiente crítico asociado a la licuefacción. Incluye además los métodos para determinar el coeficiente de permeabilidad y el uso de redes de flujo.
Puntos clave
- El flujo estacionario es independiente del tiempo y el caudal se mantiene constante, mientras que el transitorio cambia con el tiempo.
- El flujo laminar es ordenado y ocurre a velocidades bajas; el turbulento es irregular y se da a velocidades altas.
- El gradiente hidráulico (i) es la pérdida de energía (h) por unidad de distancia recorrida (L).
- Con gradiente hidráulico crítico (Icr) el esfuerzo efectivo del suelo se anula y se produce licuefacción.
- El coeficiente de permeabilidad (K) depende de propiedades del suelo (tamaño de vacíos, estructura, continuidad) y del líquido (densidad, viscosidad).
- Las redes de flujo sirven para estimar infiltraciones en reservorios, subpresiones bajo presas y puntos de potencial erosivo.
Conceptos Fundamentales de Hidráulica y Flujo en Medios Porosos
Definiciones de Tipos de Agua y Flujo
Agua Vadosa
Agua de percolación transitoria que se desplaza hacia abajo para incorporarse al agua freática que está por debajo del nivel freático.
Flujo Estacionario
Es independiente del tiempo. Se entiende como el flujo que está en equilibrio, es decir, la presión intersticial en toda la masa de suelo se ha equilibrado con las nuevas condiciones de frontera. El caudal (q) permanece constante en el tiempo.
Flujo No Estacionario o Transitorio
Existe cuando el proceso está cambiando y las condiciones no son constantes en el tiempo.
Flujo Laminar
El agua fluye de manera ordenada y en capas. Cada partícula de agua fluye siguiendo una trayectoria definida que nunca corta la trayectoria de otra partícula. Ocurre a velocidades bajas.
Flujo Turbulento
El patrón de flujo es irregular y las trayectorias de las partículas se entrecruzan al azar. La velocidad es alta.
Parámetros de Velocidad y Gradiente
Velocidad de Flujo
Es la velocidad que lleva el agua a través de tuberías o a través de una sección transversal o de un área.
Velocidad de Infiltración (Vs)
Es la tasa de movimiento de un elemento de agua a través de la masa de suelo. Es la velocidad con la que el agua se mueve a través del suelo.
Gradiente Hidráulico (i)
Se define como la pérdida de energía (h) por unidad de distancia recorrida (L).
Gradiente Hidráulico Crítico (Icr)
El suelo presentará esfuerzo efectivo igual a cero, lo que se traduce en esfuerzo cortante nulo. Este fenómeno se conoce como licuefacción. El suelo pierde estabilidad.
Tubos Piezómetros
Sirven para medir presiones estáticas moderadas de un líquido que fluye dentro de una tubería.
Coeficiente de Permeabilidad (K) y Aplicaciones
Coeficiente de Permeabilidad (K)
Depende de múltiples propiedades. Estas se clasifican en:
Propiedades del Suelo:
- Tamaño de vacíos.
- Estructura del suelo.
- Continuidad de vacíos.
Propiedades del Líquido:
- Densidad.
- Viscosidad.
Existen métodos para determinar el coeficiente de permeabilidad:
Métodos Directos:
- Permeámetro de carga constante.
- Permeámetro de carga variable.
- Prueba directa de los suelos en el lugar.
Métodos Indirectos:
- Cálculo a partir de la curva granulométrica.
- Cálculo a partir de la curva de consolidación.
- Prueba horizontal de capilaridad.
Redes de Flujo
Son herramientas utilizadas para:
- Estimación de pérdidas por infiltración de reservorios.
- Determinación de subpresiones bajo presas.
- Revisión de puntos de potencial erosivo, donde i tiende a Icr.
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PDF Word HTMLPreguntas frecuentes
¿Qué diferencia hay entre flujo laminar y flujo turbulento?
En el flujo laminar el agua fluye en capas ordenadas, sin que las trayectorias se crucen, y ocurre a velocidades bajas. En el flujo turbulento el patrón es irregular, las trayectorias se entrecruzan al azar y la velocidad es alta.
¿Qué es el gradiente hidráulico?
Es la pérdida de energía (h) por unidad de distancia recorrida (L). Se usa para describir cómo se pierde presión mientras el agua atraviesa el suelo.
¿Qué es la licuefacción en un suelo?
Ocurre cuando el gradiente hidráulico alcanza el valor crítico (Icr) y el esfuerzo efectivo del suelo se vuelve cero, de modo que el esfuerzo cortante es nulo y el suelo pierde estabilidad.
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