5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1. PRESENTACIÓN DE LOS ENSAYOS En este capítulo se presentaran los ensayos realizados que han sido considerados válidos para evaluar la evolución temporal, y el análisis posterior que se ha hecho. Como anteriormente se ha explicado, solamente se han obtenido 4 ensayos correctos. En tres de ellos se ha podido llegar hasta el equilibrio, pero el último, el de la pila de 9x9 cm, no ha sido posible. Por otro lado también se analizará la causa principal del fallo de los ensayos. En la tabla 5.1 hay una relación de las características más relevantes de cada ensayo, que son el caudal y la condición de contorno aguas abajo. Estos dos datos definen las características del flujo (velocidad y calado). Se observa que todos están llevados a cabo con los mismos parámetros para poder comparar los resultados entre ellos e intentar sacar conclusiones. ensayo tamaño pila (cm) fecha realización condición de contorno caudal (l/s) 1 6 1/1/4 3,5 ladrillos 9,43 4 1/1/4 3,5 ladrillos 9,43 3 3 9//4 3,5 ladrillos 9,43 4 9 17/3/4 3,5 ladrillos 9,43 Tabla 5.1. Datos de los principales ensayos realizados, ordenados por fecha de realización. En la tabla hay las dos condiciones que hay que fijar para obtener el inicio del movimiento, que son la condición de contorno aguas abajo y el caudal. Ahora bien, estas no son siempre las condiciones obtenidas ya que hay un margen de error, que se intenta que sea insignificante. Por ejemplo el caudal Q se mide con alturas de agua en el aforador triangular, por lo que no siempre se consigue ajustarlo al milímetro. Al final de este capítulo hay una tabla donde se pueden ver todos los parámetros resumidos, tanto los fijados, como los datos obtenidos. Como se ha dicho, en los ensayos se ha intentado conseguir el equilibrio. Pero para ser estrictos hay que definir correctamente el equilibrio. Mientras que hay autores que consideran suficiente llegar a una erosión de 1mm por hora, otros imponen la condición en función del tamaño de la pila, etc. A diferencia de estos autores, en los ensayos aquí realizados se ha tratado de llegar totalmente al equilibrio. Es decir, se ha intentado mantener los ensayos hasta 4 horas después de que la erosión de detuviera. Esto se ha hecho ya que se considera que cuando la erosión se detiene, no es posible que se vuelva a iniciar, siempre que las condiciones de flujo se mantengan constantes. Por otro lado, un día se ha considerado un tiempo prudencial para comprobar que la erosión es nula 5. Análisis de resultados 41
5.. EVOLUCIÓN TEMPORAL DE LA EROSIÓN La evolución de la erosión se ha controlado mediante sondas, tomando medidas de forma continua, concretamente una por minuto. En los diferentes ensayos se ha intentado colocar las sondas siempre en las mismas posiciones respecto las pilas, para poder comparar luego la erosión en ciertos puntos del espacio. Las sondas más importantes son las colocadas justo en el foso de erosión, que son tres. Hay la de aguas arriba, que da la máxima erosión en cada ensayo, la de aguas abajo, y hay otra complementaria, justo al lado de la pila. Las demás sondas colocadas han servido un poco de control. Por ejemplo, las de aguas abajo de la pila indicaban el paso de la duna, y con las de aguas arriba se podía controlar el problema de la erosión en el cambio hormigón-arena, comentado anteriormente. Para poder localizar las sondas a cada una de ellas se le asigna un número, así el mismo número siempre tendrá la misma posición. Esta es la numeración utilizada y que seguirán todas las gráficas: Sonda 13: es la sonda principal, situada 1,5 cm aguas arriba de la pila, justo en el centro de ésta. Sonda 6: sonda secundaria, situada justo 1,5 cm aguas abajo de la pila, justo en el centro de ésta. Sonda 11: sonda situada a,5 cm a la izquierda de la pila mirando aguas abajo, en el centro del lateral. Sonda 4: sonda colocada aguas abajo de la pila a unos 5 cm. de la pila, alineada con el centro de la pila. Sonda 14: colocada aguas abajo de la pila a unos 4 cm. más lejos que la sonda 4, también alineada con el centro de la pila. La siguiente figura explica lo dicho: Figura 5.1. Situación de las sondas. Unidades en cm. La flecha azul marca la dirección del flujo. 5. Análisis de resultados 4
En la figura 5.1 se puede ver la situación de las sondas, que están representadas por círculos rojos, el número asignado a cada una y las distancias aproximadas. Las sondas de más aguas arriba no tienen número asignado ya que solamente servían para control. A continuación se analizan los resultados obtenidos para cada pila con las sondas antes enumeradas. Los ensayos aparecen siguiendo el orden de realización: Pila 6: PILA 6 16 14 1 1 8 6 4-1 1 1 1 1-4 sonda 13 sonda 6 sonda 4 sonda 14 Figura 5.. Evolución de la erosión en el ensayo de la pila de 6x6 cm. En la gráfica de la figura 5. hay 4 sondas. La sonda 13, de color azul oscuro, es la que antes empieza a erosionar y alcanza aproximadamente unos 15 cm. Luego hay la sonda 6 que empieza más tarde a erosionar y sólo alcanza unos 1 cm. Finalmente están las sonda 4 y 14, que son las situadas aguas abajo de la pila y, como es lógico, tienen valores negativos, que significa que hay sedimentación, cuando la duna pasa por el punto donde están ubicadas. Por la zona de la sonda 4, la duna llega unos 1 minutos antes que en la zona de la 14 ya que está más aguas arriba que ésta. Cuando la duna ya ha pasado, también se produce cierta erosión en ambos puntos. Se ha utilizado una escala temporal de tipo logarítmico. De esta manera la erosión va avanzando de forma aproximadamente lineal con el tiempo, es decir, como si fuese una recta, aunque cambia de pendiente. La escala logarítmica, pero, en ocasiones no permite ver con claridad la estabilidad al final del ensayo ya que para ello se necesita que el ensayo transcurra un cierto tiempo estable. Éste no es el caso pero, del ensayo de la pila de 6 cm, ya que en sus gráficas sí se puede apreciar cómo la pendiente se anula cuando llega el equilibrio. Se puede observar que todas las sondas alcanzan este equilibrio simultáneamente. Ocurre así porque en el momento que deja de erosionar el foso, en las demás zonas no puede haber erosión ya que las condiciones del flujo son de aguas claras. Es decir, todo 5. Análisis de resultados 43
el movimiento de material viene provocado por la erosión del foso que se forma alrededor de la pila. El cambio de pendiente que sucede cuando el ensayo llega al equilibrio es totalmente brusco, es decir, no se produce una transición en la que va disminuyendo gradualmente la pendiente, como se podría pensar, sino que de repente las rectas se vuelven horizontales. Pila 4: 1 1 8 PILA 4 6 4 sonda 13 sonda 6 sonda 4 sonda 14 1 1 1 1 1 - -4 Figura 5.3. Evolución de la erosión en el ensayo de la pila de 4x4 cm. En la pila 4 se observan las mismas tendencias que en la anterior pila para todas las sondas, aunque los valores de erosión son menores que en el anterior ensayo debido a la reducción del ancho de la pila. Pila3: 9 PILA 3 7 5 3 1-1 -3-5 1 1 1 1 1 Figura 5.4. Evolución de la erosión en el ensayo de la pila de 3x3 cm. sonda 13 sonda 11 sonda 6 sonda 4 sonda 14 5. Análisis de resultados 44
En esta figura aparece una nueva sonda, la número 11. Ésta es la situada en el lateral y también tiene una gran erosión, como es lógico, ya que está dentro del foso de erosión. Su tendencia es completamente paralela a la sonda principal, es decir que evolucionan idénticamente, aunque siempre la erosión es aproximadamente unos cm inferior. Pila 9: PILA 9 15 1 5 1 1 1 1 1 sonda 13 sonda 6 sonda 11 sonda 4 sonda 14-5 Figura 5.5. Evolución de la erosión en el ensayo de la pila de 9x9 cm. En la figura 5.5 también hay la sonda lateral, y sigue el mismo comportamiento que en el anterior ensayo. Una diferencia que se puede apreciar a simple vista en las gráficas, es que en este ensayo de la pila de 9x9, las sondas de aguas abajo reciben la duna antes que en los demás ensayos. Esto es debido a que el foso formado es mayor y por lo tanto el material llega antes a los puntos de las sondas 4 y 14. Además también es mayor en altura la duna que se forma en estos puntos ya que puede llegar a los 3,5 cm aproximadamente, cuando antes sólo llegaba a los o,5 cm. A pesar de que en este ensayo no fue posible llegar al equilibrio por problemas de erosión en la zona de transición hormigón-arena, la erosión en las sondas de aguas abajo era tan grande, que si el ensayo hubiera podido terminar, se puede prever que el propio foso de erosión hubiera llegado hasta la zona de la sonda 4. En todas las gráficas, la pendiente de la erosión de la sonda de aguas arriba (13) es menor que la de la sonda de aguas abajo (6). Esto es debido a que la erosión en la zona de aguas arriba es instantánea, es decir, solamente quitar la condición de contorno ya está erosionando. En cambio en el caso de la otra sonda, tarda unos minutos en empezar a notarse la erosión. Estos primeros minutos, al ser escala logarítmica, toman mucha importancia y es lo que provoca diferentes pendientes en las gráficas. 5. Análisis de resultados 45
Comparando las sondas laterales (sólo en los dos últimos ensayos), se observa que se comportan igual que la sonda 13, la principal, respectivamente. En el ensayo de la pila de 3 cm, la erosión de las sondas lateral y trasera llega casi a confluir, hecho que no pasa en el ensayo de la pila de 9 cm. Esto es debido a la anchura de la pila. Es decir, en la pila pequeña los dos puntos en cuestión están muy próximos, con lo cual al final pueden tener erosiones parecidas. En cambio en la pila de 9 cm, los dos puntos están situados a una distancia ya considerable. Además la zona justo detrás de la pila, al ser su ancho mayor, queda más cubierta del flujo y por lo existe menos erosión en ese punto. Analizando ahora las erosiones por sondas en los ensayos: Sonda principal (13): 18 EROSIÓN MÁXIMA 16 14 1 1 8 6 4 Pila 9 Pila 6 Pila 4 Pila 3 1 1 1 1 1 Figura 5.6. Erosión en la sonda 13 en todos los ensayos. A pesar de que en la sonda principal es difícil de precisar el primer instante de tiempo debido a que la erosión empieza muy rápido, cuando aún se está quitando la protección, tiene mucha importancia debido a la escala logarítmica. Estos primeros momentos pueden influir mucho en la pendiente. Se ha tratado de ser lo más precisos posible en los datos ofrecidos. La sonda 13 es la colocada en el punto donde se produce la máxima erosión, por esto es considerada como la más importante. Siempre que se habla de erosión máxima en cualquier ensayo de erosión local, se refiere a este punto. El comportamiento de los diferentes ensayos responde a lo esperado, es decir, que la pila de mayor tamaño tenga más erosión que la de menor tamaño, con las mismas condiciones de ensayo. Además las pendientes de las rectas son menores como menor es la pila. Esto indica que la velocidad de erosión, que es la pendiente de la recta tangente (derivada), es más importante para la pila de 9 cm y mucho menor para la pila de 3 cm. También ocurre que el tiempo de equilibrio es mayor para pilas grandes y viceversa. 5. Análisis de resultados 46
Sonda secundaria (6): EROSIÓN 1 8 6 4 Pila 9 Pila 6 Pila 4 Pila 3 1 1 1 1 1 Figura 5.7. Erosión en la sonda 6 en todos los ensayos. Según la gráfica, se pueden sacar las mismas conclusiones que en el anterior caso. Como mayor es la pila más erosión se produce en este punto, mayor es la pendiente de la recta y más grande es el tiempo de equilibrio. La diferencia con la sonda principal es que el inicio de la erosión en el punto situado detrás de la pila no se da en el mismo momento en todos los ensayos. Como mayor es la pila, más tarde empieza a erosionar en este punto. Esto es porque la zona en cuestión, al ser mayor la pila, también queda más protegida del flujo. Finalmente, pero, la erosión es mayor en una pila grande, que es lo esperado. Sonda lateral (11): 18 EROSIÓN 16 14 1 1 8 6 4 1 1 1 1 1 Log tiempo (cm) Pila 9 Pila 3 Figura 5.8. Erosión de la sonda 11 en los ensayos de 3x3 y 9x9 cm. 5. Análisis de resultados 47
De la sonda lateral solamente se obtuvieron datos de erosión en los dos últimos ensayos. En la gráfica se observa que ocurre un fenómeno similar al de la sonda principal es decir, la pila mayor tiene más pendiente. 5. Análisis de resultados 48
5.3. DINÁMICA DEL PROCESO DE EROSIÓN La velocidad de erosión es un dato muy importante en la predicción de la evolución temporal de la erosión, pero hay muchas incógnitas sobre su influencia en el proceso. Por ejemplo: si la velocidad es mayor, qué ocurre? Que el tiempo de equilibrio disminuye, es decir, se llega al fin del proceso antes, o bien que la erosión final es mayor? La velocidad de erosión depende de muchos factores, como la propia erosión, ya que en de definitiva es su derivada. Por lo tanto en ella influirán factores como las dt características del fluido y flujo, las del sedimento, así como también las del obstáculo. En el caso que nos ocupa solamente se podrá estudiar la influencia del tamaño de la pila ya que los demás parámetros se han mantenido constantes en todos los ensayos. En las gráficas siguientes se presenta la velocidad de erosión, calculada como incremento de erosión entre incremento de tiempo, para tres de los puntos más significativos de los ensayos. En la figura 5.9 se representa la velocidad en el punto de máxima erosión (correspondiente a la sonda 13). En la gráfica solamente hay reflejados los 1 primeros minutos ya que a partir de este momento las gráficas oscilan entorno al cero y, al estar en escala logarítmica, no se puede apreciar nada relevante.,5 VELOCIDAD DE EROSIÓN Velocidad (cm/min) 1,5 1,5 -,5-1 1 1 1 Pila 9 Pila 3 Pila 4 Pila 6 Figura 5.9. Velocidad de erosión en la sonda 13 los 1 primeros minutos. En los 4 casos la velocidad de erosión en los primeros minutos es muy importante pero decrece rápidamente, y a partir de los 15 minutos, ésta oscila entorno del cero, alternando velocidades positivas y negativas. Una velocidad negativa es un incremento de erosión negativo, es decir, una sedimentación. Si no se comprendiera el proceso, se podría pensar que estos valores son debidos a fallos en las sondas, que al avanzar la erosión, éstas quedan en una posición más alejada del fondo y producen errores. Pero se ha comprobado que éste no es el caso. Las sedimentaciones que indican las sondas son totalmente reales, y son debidas a derrumbes que se producen en la pared del foso. Es decir, para que la erosión aumente, el foso de erosión es necesario que se agrande y lo 5. Análisis de resultados 49
hace cuando se producen los derrumbes de sus paredes. Este material que colapsa va a parar al fondo del foso, en la parte más profunda y es por esta razón que se observa una sedimentación. Seguidamente este material es sacado del foso por el flujo, y por lo tanto se observa un aumento en la velocidad de erosión. Por eso se puede describir el proceso como un ciclo, el cual, para que la erosión avance, es necesario que tenga balance positivo, es decir, que salga más material del foso del que entra. A continuación está la velocidad de erosión de la zona de aguas abajo de la pila, donde está situada la sonda 6. La figura 5.1 representa dicha velocidad:,5 VELOCIDAD DE EROSIÓN Velocidad (cm/min) 1,5 1,5 -,5 1 1 1 Pila 9 Pila 3 Pila 4 Pila 6-1 -1,5 Figura 5.1. Velocidad de erosión en la sonda 6 los 1 primeros minutos. Esta gráfica corrobora la misma hipótesis que la de la figura 5.9. Se puede observar como en este caso también se producen fluctuaciones positivas y negativas de la velocidad entorno al cero, existiendo así sedimentación y erosión. En el punto donde está situada esta pila, los colapsos no llegan directamente, ya que evidentemente el material derrumbado no cae detrás de la pila, lo que ocurre es el proceso en general funciona por ciclos. En las gráficas siguientes, comparando velocidades en los diferentes puntos de un mismo ensayo, se podrá entender mejor. La diferencia entre las velocidades en los dos puntos estudiados está en que detrás de la pila la erosión empieza a los 1 minutos aproximadamente de haber empezado el ensayo, mientras que aguas arriba la erosión comienza instantáneamente. Si se analiza la velocidad de erosión de un mismo ensayo, en los diferentes puntos donde hay sondas, se puede comprender mejor la dinámica del proceso. Por ejemplo observando la pila de 9x9cm la evolución es la siguiente: 5. Análisis de resultados 5
VELOCIDAD DE EROSIÓN EN LA PILA 9 Velocidad (cm/min) 1,5 1,5 1 1 1 sonda 13 sonda 6 sonda 11 -,5 Figura 5.11. Velocidad de erosión en la pila de 9x9 cm en los tres puntos principales. Al inicio, la velocidad de erosión aguas arriba de la pila es muy grande, mientras que detrás es cero. En el lateral también es considerable aunque no llega al máximo. Al cabo de tres minutos la velocidad de erosión en el lateral y en la zona principal convergen, hecho que explicaría que las curvas de la erosión en las sondas 13 y 11 sigan pendientes paralelas. Se observa como las tres sondas avanzan en dientes de sierra. Pero lo más interesante es que estos dientes son opuestos, es decir, cuando en la zona de aguas arriba la velocidad de erosión es grande y mucho sedimento está saliendo del foso, en la zona lateral hay menos velocidad o hasta en algunos casos hay sedimentación. Esto es porque el sedimento que es sacado del foso, pasa por la zona lateral y es como si hubiese una pequeña sedimentación, y luego éste es arrastrado aguas abajo. Esto se ve de forma discontinua, como si fueran pulsos. Respecto la sonda de aguas abajo, su erosión empieza más tarde, a partir de los 1 minutos del comienzo del ensayo y también sigue una evolución de la velocidad de pulsos de erosión y sedimentación, como también se podía apreciar en la figura 5.1. Para ver como ocurre el fenómeno de los colapsos y los dientes de sierra se han hecho unas gráficas donde se representa velocidad de erosión frente a erosión. Para ello antes ha sido necesario realizar una media móvil de la erosión, con 7 valores, para poder ver las tendencias de la evolución de la erosión y entender el fenómeno. La figura 5.1 representa un zoom de dicha gráfica, de manera que sólo se alcanza a ver como evoluciona la erosión en un rango de 3 mm. 5. Análisis de resultados 51
VELOCIDAD DE EROSIÓN FRENTE EROSIÓN 13,3 13,5 PILA 9 13, 13,15 13,1 13,5 EROSIÓN (cm) -,5 -,3 -,1,1,3,5,7 VELOCIDAD DE EROSIÓN (cm/min) Figura 5.1. Velocidad de erosión vs. erosión en la pila de 9x9 cm en un intervalo de erosión de sólo 3mm. 13 La erosión avanza cuando la velocidad es mayor que cero. Luego esta velocidad tiende a cero y llega a ser negativa, de manera que hay una sedimentación, por lo tanto la erosión disminuye. Este proceso sigue unos pulsos y en la gráfica se ve que va formando espiral. Como más avanzado es este proceso en el tiempo, esta espiral tiene un paso menor, es decir que para erosionar la misma cantidad en centímetros, necesita más tiempo (ya que cada punto es un dato y hay un dato por minuto) y también ocurren más pulsos. VELOCIDAD DE EROSIÓN FRENTE EROSIÓN 15 14,9 14,8 14,7 14,6 14,5 14,4 14,3 14, 14,1 14 -,5 -,3 -,1,1,3,5,7 PILA 9 VELOCIDAD DE EROSIÓN (cm/min) EROSIÓN (cm) VELOCIDAD DE EROSIÓN FRENTE EROSIÓN 11 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1, 1,1 1 -,5 -,3 -,1,1,3,5,7 EROSIÓN (cm) PILA 9 VELOCIDAD DE EROSIÓN (cm/min) Figura 5.13. Comparación de la erosión vs. velocidad de erosión en dos intervalos diferentes. 5. Análisis de resultados 5
En estas dos gráficas se compara como es el proceso en dos momentos distintos, separados en el tiempo. En la derecha la erosión sólo ha llegado a unos 1 cm del proceso, es decir, aun está en las primeras horas, concretamente en la segunda hora de ensayo, y para erosionar un centímetro ha tardado tan solo una hora aproximadamente (se puede apreciar por la cantidad de punto que hay en la gráfica). En cambio en la gráfica de la izquierda, cuando ya han trascurrido nueve horas desde el inicio del ensayo, para erosionar un centímetro tienen que sucederse muchos pulsos y por lo tanto necesita mucho más tiempo. La figura de la izquierda es lo que explicaría que las gráficas no sean una línea recta cuando la erosión va avanzando, sino que se formen los dientes de sierra de cierta amplitud, la cual también va cambiando durante el proceso. 5. Análisis de resultados 53