Fundamentos de la Hidráulica de huaycos

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FUNDAMENTOS DE LA HIDRÁULICA DE HUAYCOS
Por: Dr.-Ing. Over Diaz-Onofre
Especialista en Hidráulica e Hidrología
diaz_onofre@yahoo.com
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Iquitos - Perú
2003
Resumen
El artículo trata los fundamentos teóricos de la hidráulica de huaycos. Se menciona su
desarrollo, como se pronostica, que tipo de flujo es, modelos de resistencia al flujo y el
control de huaycos.
1.0 INTRODUCCIÓN
Los huaycos (lavas torrenciales) son fenómenos naturales muy conocidos en el Perú desde
muy antaño. Los huaycos se desarrollan normalmente en las partes altas de una cuenca, en
lugares donde existe una abundante fuente de material, el cual puede ser puesto en
movimiento por la presencia del agua. Tal condición se presenta generalmente en laderas
montañosas con material coluvial o en laderas con una composición de material que es
susceptible a la acción disgregadora del agua. El agua en este caso proviene comúnmente de
las lluvias.
En este artículo se tratara de presentar una síntesis muy breve de los fundamentos de la
hidráulica de huaycos.
2.0 DONDE SE DESARROLLA?
Si observamos el plano de una cuenca podemos observar que el huayco se desarrolla en la
parta alta de la cuenca producto de los deslizamientos o desprendimientos de material de las
laderas de los cerros (curso superior del río, cono de erosión ver Fig.1).

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Fig. 1 Desarrollo de los huaycos
3.0 COMO PRONOSTICAR LA APARICIÓN DE HUAYCOS?
Tratar de predecir el momento crítico en el cual ocurre un huayco es una situación realmente
compleja ya que su ocurrencia depende de muchos factores. Entre estos factores podemos
nosotros contar por ejemplo a la intensidad de la precipitación, tipo de terreno, cobertura
vegetal, forma de la cuenca, etc. A pesar de la complejidad del asunto existe sin embargo
algunos intentos realizados por algunos investigadores para poder determinar o pronosticar la
aparición de un huayco, aquí podemos mencionar por ej. una relación en términos
hidrológicos propuesta por Chen (1985) (véase Wan y Wang(1994)) y un gráfico en términos
hidráulicos propuesto por Takahashi (1991).
a) En función de parámetros hidrológicos
Chen (1985) analizó datos de aproximadamente 100 eventos de lluvia y de decenas de
huaycos en una cuenca china y relacionando la intensidad de la precipitación en 10 min y la
lluvia acumulada antecedente a la aparición del huayco obtuvo el siguiente criterio para
determinar su presencia (véase también la Fig. 2):
mm62P10.33I a10  (1)
I10 = Intensidad de precipitación de 10 min o la máxima precipitación en 10 min
Pa = Factor de precipitación acumulada en 20 días recientes
20
20
3
3
2
2
10a P0.8...P0.8P0.80.8PPP  (2)
P0 = precipitación justo antes de la precipitación más intensiva de 10 min
Pi = Precipitación del día i, i días antes que la precipitación P0

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Fig. 2 Precipitación crítica para Huaycos
b) En función de parámetros hidráulicos
Takahashi(1991) elaboró por medio de datos de medición un gráfico para determinar la
ocurrencia de huaycos en función de la pendiente del río S y el parámetro q/g1/2
d3/2
(ver Fig.
2). S es aquí sen,  es el ángulo de la pendiente del río, q es el caudal por unidad de ancho, g
es la aceleración de la gravedad y d es el diámetro medio de las partículas. En el grafico la
región definida por los números V y VI señala la ocurrencia de huaycos.
Fig. 3 Ocurrencia de Huaycos

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4.0 A QUE DISCIPLINA PERTENECE, QUE TIPO DE FLUJO ES?
Los huaycos no pueden ser tratados normalmente dentro del campo de la hidráulica fluvial.
Sus características las cuales en primer lugar llegan a ser marcadas grandemente por su alta
concentración la hacen digna de un estudio especial.
Los huaycos son un tipo especial de flujo superconcentrado (Wan y Wang (1994), Julien
(1995)), entendiéndose aquí por flujo superconcentrado a aquellos flujos que presentan una
concentración en volumen que rangean desde los 5 al 60% según datos de Julien (1995).
Cierta confusión puede causar en la literatura científica el término „flujo
superconcentrado“, ya que por un lado se utiliza para caracterizar a todo tipo de flujo que
presente concentraciones mayores al 5% (como ya se mencionó arriba) y por otro lado se usa
para identificar un tipo de flujo que viene a ser una especie de subconjunto de los flujos
superconcentrados. Para poder marcar la diferencia Julien (1995) le llama al conjunto de
flujos superconcentrados „Superconcentraciones“ y al subconjunto „flujo
superconcentrado“.
En las figuras y en una tabla que se verán a continuación el término flujo superconcentrado
indicara un tipo de flujo que como se dijo forma parte de las Superconcentraciones.
La hidráulica de huaycos ha sido claramente fijada como una disciplina a parte por Meunier
(1991) (véase figura 4) . Flujos con una alta concentración y con pendientes que van desde los
30 a los 50% marcan el inicio de la formación de Huaycos según él. Así también flujos
naturales con pendientes que van desde los 2 al 6% marcan el inicio de los flujos
superconcentrados. La hidráulica fluvial como disciplina caería dentro del rango de
pendientes naturales menores que el 2%. Importante y practico es saber que las formulas
clásicas de hidráulica fluvial podrían ser usadas con buena aproximación hasta una pendiente
natural que van desde los 7 al 10% para relaciones Qs/Ql<5% (véase Fig. 4).

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Fig. 4 Clasificación de flujos según Meunier (1991)
Costa (1988) (véase Tabla 1) casi al igual que Meunier diferencia 3 tipos de flujo
superconcentrado, flujo torrencial (compete a la hidráulica fluvial), flujo superconcentrado y
flujo Huayco.
Su tabla es sumamente práctica para identificar estos tipos de flujo tomando en cuenta la
concentración. El clasifica también los flujos desde el punto de vista reológico. Los Huaycos
serian para él, probablemente, flujos viscoplásticos. Las fuerzas internas del flujo, la
granulometría y el comportamiento laminar o turbulento llega a ser tomado en cuenta también
por el para caracterizar los diferentes tipos de flujo (véase tabla 2). Los Huaycos también
tendrían para Costa un comportamiento más acercado al laminar.
Tabla 1.0 Clasificación reológica general de flujos de agua y sedimento en ríos según
Costa (1988)
Flujo Concentración de
sedimentos
Densidad de
los sólidos
(g/cm³)
Esfuerzo
cortante de
fluencia
(dinas/cm²)
Tipo de fluido
Flujo Torrencial
(Water Flood)
1-40% en peso
0.4-20% en Volumen
1.01-1.33 0-100 Newtoniano
Flujo Superconcentrado
(Hyperconcentrated Flow)
40-70% en peso
20-47% en Volumen
1.33-1.80 100-400 No-Newtoniano?
Huayco
(Debris Flow)
70-90% en peso
47-77% en Volumen
1.80-2.30 >400 Viscoplastico?

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Tabla 2.0 Clasificación reológica general de flujos de agua y sedimento en ríos –
continuación de tabla 1.0
Flujo Mayor
mecanismo de
soporte de los
sedimentos
Viscocidad
(poise)
Velocidad
de caida
(% de agua
clara)
Perfil de
concentración
de sedimentos
Tipo de flujo
predominante
Flujo Torrencial
(Water Flood)
Fuerzas
electrostáticas,
turbulencia
0.01-20 100-33 No uniforme Turbulento
Flujo Superconcentrado
(Hyperconcentrated Flow)
Empuje, esfuerzo
dispersivo,
turbulencia
20-200 33-0 No uniforme a
uniforme
Turbulento a
laminar
Huayco
(Debris Flow)
Cohesión, empuje,
esfuerzo
dispersivo, soporte
estructural
>>200 0 Uniforme Laminar
El investigador francés Coussot clasifica los huaycos utilizando como parámetros la
concentración y la granulometría del material sólido (ver fig. 5). El flujo torrencial, flujo
superconcentrado así como también los deslizamientos de suelos llegan a ser contemplados
dentro de su clasificación de flujos.
Fig. 5 Clasificación de flujos según Coussot. Figura tomada de la web. Mas información se
puede encontrar en Coussot (1997).
Según Wan y Wang (1994) los huaycos se diferencian de un flujo superconcentrado normal
principalmente debido a que los huaycos se presentan repentinamente tienen una naturaleza
catastrófica y también una alta capacidad para arrastrar material sólido. En un flujo

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superconcentrado el líquido fluyente aún controla el movimiento y la deposición de los
sedimentos y la energía consumida en el curso del movimiento del sedimento proviene
principalmente de la fase liquida. En un Huayco una considerable parte de la energía que
soporta el movimiento de las partículas es proveída por la energía gravitacional de la fase
sólida.
La energía abastecida por la fase sólida por unidad de volumen y por unidad de distancia se
puede calcular por medio de la fórmula:
SCγE vsd  (3)
donde S es la pendiente de energía, Cv es la concentración en volumen de la fase sólida y s es
el peso específico de la partícula.
La línea en la figura 6 que divide las áreas de flujo superconcentrado y de huaycos fue trazada
utilizando el valor:
Sγ
)/(01.0
C
s
3
v
cmg

(4)
Ed fue tomado en este caso igual a 0.01 en la fórmula de energía. Según Wan y Wang (1994)
el valor Ed=0.01 (g/cm3
) puede ser usado para diferenciar los huaycos de los normales flujos
superconcentrados así si la pendiente y la concentración son más altas que Ed>0.01 (g/cm3
) el
flujo pertenece a la categoría de un flujo huayco.
Fig. 6 Distinción entre flujo superconcentrado y huayco según Wan y Wang (1994)

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5.0 FÍSICA DE HUAYCOS. RESISTENCIA AL FLUJO
Para poder entender la física de los huaycos es necesario tener muy bien definidos los
conceptos de la mecánica de suelos y de los fluidos. El flujo "Huayco" es una mezcla bifásica
(agua-sedimentos). La mezcla que fluye puede llegar a transportar sin problemas bolones o
piedras muy grandes de por ej. 1 m de diámetro, de ahí su gran peligrosidad.
Para poder caracterizar el material que compone el flujo (reología) existe esencialmente dos
métodos: 1) considerar al flujo total (fluido y sólidos) como si fuera un „solo fluido“ con
propiedades particulares (Modelos esfuerzo de fluencia-deformación) y 2) estudiar al agua (en
algunos casos con algo de sedimentos finos) y el material grueso separadamente (Modelos
grain-flow). A continuación se presenta un par de modelos perteneciente al primero y segundo
métodos.
Costa (1988) define el movimiento del flujo partiendo de las conocidas ecuaciones de
esfuerzo cortante para suelos y fluidos.
si en suelos el esfuerzo cortante es (modelo de Coulomb):
 tancs (5)
y en fluidos el esfuerzo cortante es (modelo de Newton):
dy
dv
a  (6)
luego la unión de las dos relaciones debe definir el movimiento de la mezcla (Huayco). Así
tenemos:
dy
dv
tanc 
(7)
 es aquí igual al esfuerzo cortante, c es la cohesión,  es el esfuerzo normal,  es el ángulo de
fricción interna,  es la viscosidad dinámica, v es la velocidad del flujo y y es una distancia
vertical al flujo.
La ecuación (o modelo matemático) (7) es llamada relación "Coulomb-viscoso". Por medio de
esta ecuación se puede llegar a obtener otras relaciones o fórmulas para el estudio de los
huaycos (por ej. fórmulas de velocidad, altura del flujo, etc.).
Takahashi (1991) modeló huaycos considerándolos como flujos dilatantes (aumentan el
volumen cuando están sometidos a un esfuerzo cortante) basado en resultados experimentales
de Bagnold. Usando el concepto de fuerza dispersiva P de Bagnold luego el esfuerzo cortante
del huayco seria:

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Ptanθτ  (8)
donde  es igual al esfuerzo cortante, P es la fuerza dispersiva y  es el ángulo dinámico de
fricción interna.
6.0 CONTROL DE HUAYCOS
Conocidos son los métodos que existen para prevenir o controlar los huaycos.
a) Atacar la raíz del problema
Si los huaycos se producen prácticamente por el derrumbe de material de las laderas de los
cerros en la parta alta de la cuenca (ver fig. 1), tratar de estabilizar las laderas de los cerros
vendría a ser la solución lógica inmediata. Reforestación, Drenaje y la Estabilización de
laderas son los términos técnicos adecuados que se podrían manejar para poder prevenir el
derrumbe o deslizamiento de las laderas.
b) Aminorar sus efectos destructivos
Si a pesar de nuestros esfuerzos se hace inevitable la presencia de los huaycos debemos llevar
a cabo medidas para poder aminorar los efectos destructivos de este. Su gran poder de
destrucción se debe prácticamente a que su flujo se moviliza a velocidades muy altas, por ej.
la velocidad más alta reportada por los chinos alcanzo los 13,4m/s (Wan y Wang (1994)) . En
este caso es una regla completamente muy practica el aminorar su velocidad disminuyendo
la pendiente del cauce. Para lograr este objetivo se escalona el cauce poniendo cortinas
espaciadas en el tramo de pendiente fuerte del río. Creando pequeños embalses se logra
disminuir la pendiente del río por sedimentación. Los tipos de cortina que se construyen
generalmente para disminuir la pendiente del río se pueden observar en la Fig. 7. Estas
cortinas varían en forma según el uso que se les da, algunas por ej. filtran el material que
pasa, otras se limpian casi automáticamente, unas capturan la palizada que pasa, etc.

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Fig. 7 Tipos de cortinas
Un gráfico elaborado por los suizos, basado en sus experiencias, y que se puede usar para
diseñar cortinas de retención es presentado en la Fig. 8.
Fig. 8 Tamaño de cortinas (Vischer y Huber (1993))
Una manera de aminorar también los efectos destructivos del flujo huayco se consigue
construyendo derivadores en la parte alta de la cuenca, específicamente en el área de
ocurrencia de los huaycos. Desviando parte del flujo por medio de canales de derivación hacia
otra cuenca o hacia algún lugar inhabitado se puede reducir la descarga de la avenida y
también la energía cinética del flujo.

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c) Sistemas de alarma
A la fecha son ya conocidos los sistemas de alarma a control remoto. Estos sistemas de alarma
han sido eficazmente probados en el Japón y en la China. El principio consiste prácticamente
en detectar las vibraciones que se producen en el área de ocurrencia de huaycos. Los sensores
de vibración colocados pueden enviar señales a muchos kilómetros de distancia aguas abajo
del río y de esa manera se puede alertar a la población o tomar las medidas respectivas para
contrarrestar los efectos de los huaycos.
7.0 REFERENCIAS
1. Costa, J. (1988) Rheologic, Geomorphic and sedimentologic differentiation of water
floods, hyperconcentrated flows, and debris flow.(pp 113-122). In Flood geomorphology.
Edited by Baker, V. R., Kochel, R. C. and Patton, P.C. (1988), John Wiley &Sons, Inc.
2. Coussot, P. (1997) Mudflow Rheology and Dynamics, IAHR Monograph Series,
Published by A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
3. Meunier, M. (1991) Éléments d’hydraulique torrentielle, CEMAGREF,Grenoble, France.
4. Takahashi, T (1991) Debris flow. IAHR Monograph Series, Published by A. A. Balkema,
Rotterdam, Netherlands.
5. Vischer, D. und Huber A. (1993) Wasserbau, 5. Auflage, Springer-Verlag, Germany.
6. Wan, Z. and Wang, Z. (1994) Hyperconcentrated Flow, IAHR Monograph Series,
Published by A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.

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