2014 ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO
TERCER PARCIAL DE HIDROLOGÍA L. DEVIA M. GOMEZ K. RIVAS A. VERJEL
INGENIERÍA CIVIL
18-11-2014
TERCER PARCIAL: ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO
PRESENTADO A:
ING. ALFONSO ARRIETA PASTRANA HIDROLOGÍA
AUTORES:
LAURA MARCELA DEVIA OCHOA MARISOL GOMEZ OVIEDO KEREN JOHANA RIVAS ROJAS ALVARO JOSÉ VERJEL ORTIZ VII SEMESTRE
INGENIERÍA CIVIL CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.
NOVIEMBRE DE 2014
TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN 1. OBJETIVOS 2. MARCO TEÓRICO 2.1. ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO 2.1.1. POZOS DE BOMBEO 2.1.2. WELL-POINTS 3. DESCRIPCIÓN DEL TERRENO 4. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA Y UBICACIÓN 5. ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO 5.1. MÉTODO A UTILIZAR 5.2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA 5.3. COMPONENTES DEL SISTEMA 6. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA 7. UTLIZACIÓN DEL MÉTODO EN CAMPO 8. CONSIDERACIONES DE DISEÑO 9. ANÁLISIS DE COSTOS 10. CONCLUSIONES 11. REFERENCIAS
INTRODUCCIÓN En la elaboración de proyectos constructivos de baja, media y gran envergadura es menester la realización de diversos estudios en las distintas áreas de la ingeniería civil tales como la geotecnia, hidráulica, estructuras, ambiente, entre otras; con el fin de conocer el comportamiento y las características de la zona en la cual se desarrollará el proyecto. A partir de la geotecnia y capacidad del terreno de soporte de cargas así como en función de los asentamientos diferenciales, se usan las cimentaciones para garantizar la estabilidad de la estructura aprovechando la resistencia a esfuerzos de los suelos. Uno de los problemas constructivos que se puede presentar al iniciar la obra, es la infiltración de aguas subterráneas provenientes de una zona específica ubicada en estratos dados del subsuelo que son perceptibles durante las excavaciones realizadas para la colocación de cimentaciones. Si se trabaja con presencia de agua, a medida que se extrae el material, el agua de las áreas vecinas fluye al punto de excavación y las fuerzas que genera el flujo provocan un arrastre de material generando un relleno continuo en la perforación realizada; por lo que, al tratar de profundizar la excavación por debajo del nivel freático se produce un ensanchamiento en la perforación lo cual no representa un avance significativo en dicho proceso. Además los obreros se encontrarán con un suelo húmedo y muy difícil de manejar en donde el agua presente genera sobrepresiones en el suelo y afecta la estabilidad de la estructura a construir. Es por ello que se hace necesario la realización de las excavaciones en ‘seco’ para así lograr un trabajo de profundización, más eficiente y seguro. Para alcanzar dicho propósito se debe abatir el nivel freático a una profundidad superior a la de la excavación misma.
1.
OBJETIVOS
General
Estudiar una situación real (obra civil), el comportamiento del nivel freático y las medidas que se utilizaran para su abatimiento, con el fin de evitar el riesgo de inestabilidad o inundación de la estructura.
Específicos
Identificar y comparar los posibles métodos que permitan abatir el nivel freático para así escoger la mejor opción, teniendo en cuenta las condiciones del proyecto y el suelo. Aplicar la fundamentación teórica referente a la hidrología de aguas subterráneas a partir de un caso particular presentado en la ciudad de Cartagena.
2. MARCO TEÓRICO - El nivel freático se define como el plano horizontal determinado por el límite de la capa de tierra totalmente saturada, donde la presión sobre los puntos de dicho plano coincide con la atmosférica y constituyen la superficie libre de un acuífero. (Instituto Geológico y Minero de España, 2006), (De la Lanza Espino, Cáceres Martínez, Adame Martinez, & Hernandez Pulido, 1999). - Un acuífero es una formación geológica que almacena volúmenes de agua que son desplazados con facilidad a través de él tales como las gravas y las arenas (Madrid, 2008). En las cimentaciones profundas, uno de los problemas con que nos encontramos durante el proceso de excavación, es la existencia del Nivel Freático. La presencia de agua, en relación a los esfuerzos, produce una disminución de las propiedades y las características resistentes en suelos saturados y también provoca una presión adicional sobre el frente de la excavación. Además, frente a los movimientos producidos por oscilaciones en los niveles freáticos y por posibles arrastres. Esto nos lleva a realizar un estudio hidrológico que contemple el modo de efectuar su extracción. Para ello tendremos que especificar en cada caso el tipo y número de bombas, los caudales máximos, etc. Para realizar los trabajos de excavación siempre se simplifica al contar con una pantalla perimetral continua en el predio, empotrada en un sustrato impermeable o reduciendo el gradiente hidráulico. Ya creado el recinto perimetral, se procede a extraer el agua mediante Pozos de Bombeo o Well-Point. Por lo tanto, para realizar cimentaciones deben buscarse los niveles impermeables donde empotrar los elementos de contención para garantizar que la entrada de agua sea mínima y de fácil achique. 2.1. Abatimiento del Nivel Freático Para realizar el rebajamiento de nivel freático en el terreno, existen dos formas de extracción del agua: 2.1.1. Pozos de Bombeo Se utilizan para terrenos medianamente permeables, en el orden de 10 -3 a 10-4 cm/sg. Es un sistema de extracción de agua mediante aspiración forzada. Se ejecutan una serie de perforaciones y se introduce en ellas unos tubos-dren, rellenando el hueco entre el tubo y la perforación con un material drenante que impida el arrastre de finos, de lo contrario las tuberías acabarían obturándose y el sistema no sería operativo. Adentro de cada tubo-dren se introduce una tubería de aspiración, que en la superficie está unida a otros y se conectan a la bomba de aspiración. De este modo, el agua llega a los pozos perforados por gravedad y se extrae el agua de allí por aspiración con bomba.
2.1.2. Well-Point Este método se utiliza para medios con baja permeabilidad donde el agua no llegaría por gravedad a los pozos. Esta alternativa consiste en la introducción de una serie de puntas filtrantes, recogidas a nivel de la superficie en una tubería colectora la cual se conecta a una bomba de aspiración que produce el achique. Así se puede rebajar la cota de agua en aproximadamente unos 7 cm. En caso de requerir más reducción, se establece un sistema escalonado. Nota Importante: Previo a la utilización de cualquiera de estos métodos de rebajamiento del nivel freático en una zona urbana, se debe efectuar un estudio minucioso ya que al extraer agua del terreno podrían llegar a producirse asientos que afecten las estructuras de edificaciones colindantes. (Construmatica, s.f.) Luego de estudiados los casos y posibles soluciones, se concluyó que la manera más efectiva y eficiente de realizar la disminución del nivel freático en este caso es la utilización de sistema de bombas a vacío o Well Point.
3. DESCRIPCIÓN DEL TERRENO El suelo donde se ubica la obra, a partir de los respectivos estudios, se determinó que es un suelo de grava pobremente gradada. Según el ensayo en permeámetro de cabeza constante se determinó que la permeabilidad del suelo era de 2,9x10-2 cm/s. El nivel freático se detectó a 0,5 m de la superficie.
4. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA Y UBICACIÓN La obra que se estudiará es un edificio residencial de cinco plantas, donde luego de los estudios y diseños requeridos se concluyó que la cimentación de la edificación serían cuatro zapatas aisladas de 3x3m2 a 3,5 m de profundidad, con separaciones cada una de 4 m lo que lleva a un área de construcción de 10x10m2.
Figura 1. Esquema de ubicación de la zapata y el nivel freático en el terreno. Fuente: autores. Como se observa en la Figura 1 la zapata de la estructura se encuentra a 3,5 metros de profundidad además el nivel freático se encuentra a 0,5 m por lo que debe haber una disminución del nivel freático de tres (3) metros para poder realizar la excavación con la seguridad requerida.
5.
ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO
En la construcción, cuando existen problemas con el manejo del material durante los procesos de excavación debido a la infiltración de agua se recurre al abatimiento del nivel freático, que consiste en la reducción del nivel de agua debido a una extracción sostenida. Este se constituye como una función de las propiedades del acuífero, tales como la permeabilidad, la conductividad hidráulica, la transmisividad, entre otras, y las características del pozo incluyendo su construcción. (Rivas Hernández, Angel Hurtado, Molina Aguilar, & Lopez Chavez, 2013) Dicho procedimiento permite que se pueda construir en un medio seco o casi seco una obra localizada total o parcialmente por debajo del nivel freático, que generalmente es realizado mediante un bombeo adecuado, que debe iniciarse antes de dar inicio a la construcción y debe mantenerse el tiempo que se requiera. (Castro, 2004)
5.1.
MÉTODO A UTILIZAR
De acuerdo con los métodos estudiados, se ha determinado que el método a utilizar para el rebajamiento del nivel freático será el sistema Well Point.
SISTEMA WELLPOINT
5.2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Denominado sistema de puntas coladoras, es un sistema conformado por una serie de tubos diseñados por una forma específica que se introducen verticalmente en el suelo sumergido para que succionen el agua freática mediante cedazo colador ubicado en el extremo inferior, al conectarse con sus extremos superiores por medio de mangueras; el agua succionada (mediante bombas aspirantes) se conduce hacia una o más tuberías colectoras. En este sistema los pozos no se construyen si no que se instalan. Cada punta puede succionar de 0,5 a 1 litro/s. (Castro, Notas de Construcción, 2004) El sistema WellPoint trabaja adecuadamente en suelos arenosos pero se ve limitado por la presión atmosférica del sitio, la cual disminuye debido a las perdidas hidráulicas que genera el sistema, por lo tanto, los niveles comunes que superan se encuentra en el rango de 2,5 a 4 metros.(Castro, Notas de Construcción, 2004)
Figura 2. Sistema Simplificado de WellPoint. Fuente: (Castro, Notas de Construcción, 2004, pág. 89)
5.3. COMPONENTES DEL SISTEMA WELLPOINT El sistema WellPoint presenta los siguientes elementos principales dentro de su constitución: Lanzas de Drenaje. Tubos de acero galvanizado de longitudes variables según la profundidad de la excavación y 50 mm de diámetro, que tienen dispuesto un filtro de 1 m de longitud en el extremo más profundo. (Ischebeck Ibérica, 2013, pág. 2)Las lanzas tienen como función absorber el agua una vez han sido conectadas a la bomba de vacío. Manguitos de Unión. Tubos flexibles que tienen piezas de empalme en los extremos para conectar las lanzas con la conducción de aspiración. (Ischebeck Ibérica, 2013, pág. 2) Conducción de Aspiración o Colector. Tubo flexible o de acero que se encuentran conectados a los manguitos y éstos a su vez a cada lanza, tiene como función conducir las aguas impulsadas hasta la bomba de vacío y desde allí al punto de desagüe establecido. (Ischebeck Ibérica, 2013) Bomba de Vacío. Encargada de crear una subpresión que absorba el agua del nivel freático y le permite circular hasta el punto deseado. Es un equipo conformado por una unidad compacta que funciona bajo condiciones extremas, con la ventaja de no presentar polución y es considerablemente silencioso (nivel de ruido aproximadamente 53 dBa 7 m de distancia).Consta de los siguientes elementos (Ischebeck Ibérica, 2013): a) Cámara o tanque de separación de aire. Amplio recipiente cilíndrico con capacidad de hasta 1.5m³, utilizada para reducir al mínimo los paros y arrancadas. b) Bombas para la impulsión del agua c) Dos bombas de vacío eléctricas adosadas en el exterior de la cámara o tanque. d) Cuadro de control eléctrico. Los elementos de mando eléctrico se hallan en una caja hermética al agua.
Figura 3. Bomba de Vacío. Fuente: (Ischebeck Ibérica, 2013) Bomba de Hinca. Bombas empleadas para hincar las lanzas al terreno, se conectan a las cabezas de dichas lanzas una vez situadas verticales en el terreno de modo que el agua inyectada sale libremente por la punta de la lanza desplazando y arrastrando el terreno que bordea la punta. El propio vaciado del terreno de las cercanías de la punta de la lanza, hace que descienda toda la lanza.(Ischebeck Ibérica, 2013, pág. 2)
Figura 4. Componentes del Sistema WellPoint. Fuente: (Ischebeck Ibérica, 2013)
Figura 5. Aplicación del Sistema WellPoint. Fuente: (Construcciones J.S., 2013)
6. FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA Para la disminución del nivel freático se utiliza el equipo de chorro de agua a presión para hincar en el terreno un número considerable de tubos de 50 mm de diámetro, según la disposición de la obra. Estas unidades son las que absorben el agua del terreno cuando están conectadas a un equipo de bombeo.
Figura 6. Instalación (hinca) de las lanzas de drenaje.
Figura 7. Instalación con Well Points. En la figura 7 se muestra la disposición de las lanzas y la manera como se encuentra el sistema instalado, ubicando las lanzas en todo el perímetro del terreno. Este sistema tiene su propio campo de aplicación, debido a la experiencia que data en los trabajos para el funcionamiento del equipo indica que el ámbito de trabajo de equipos oscila desde los limos arenosos hasta arenas con algo de gravillas. Estos trabajos permiten comprobar que el rebajamiento del nivel freático se produce en terrenos arenosos con un distanciamiento entre lanzas de drenaje de 2 m y para los valores citados a continuación:
Tabla 1. Tipos de terreno donde pueden actuar los equipos del sistema Well Point.
Tabla 2. Profundidad de instalación.
7. UTILIZACIÓN DEL MÉTODO EN CAMPO Procedimiento de trabajo: hincado de tablescas y ejecución de micropozos para la lanza. Fase 1: se realiza una preexcavación de o.5 m en el terreno y se hinca las tablescas de 4 metros de profundidad, dejando 30 cm por la parte superior para que pueda ser sujetado sujetadas por la piza de la vibradora. Fase 2: mediante un tornillo sinfín helicoidal de 25 cm de diámetro de 4 metros de longitud acoplado al brazo de la retroexavadora se realizan micropozos en los posteriormente se colocaran las lanzas de Wall-point de 3 m de longitud + 1 m de filtro. Fase 3: se conecta la manguera de agua a la lanza y se rrellena el micropozo de grava hasta la cota 0.5 m. Fase 4: se rellena la parte superior del micropozo con limos arenosos para impedir la entrada de aire al sistema de aspiración de well-point. Y se conectan las lanzas mediante manguitos al colector. Fase 5: se conectan las bombas de Wall-point a los colectores a razón de una bomba. El sistema ya se puede conectar y entrar en funcionamiento. 8. CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Figura 8. Parámetros del sistema. Fuente: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/silviorojas/ZanjasPozos/FlujoHaciaZanjas-Pozos_2.pdf
Datos (m) H 7 hd 6 P 48 K 0,00029 ld 10 rw 0,038 b 0,076 C 1500 Tabla 3. Datos del sistema. Se busca el radio de influencia del bombeo R=L: Donde:
= ∗ ℎ∗, ITERACION ho ld/ho b/H C1 1 4 2,5 0,01085714 2 3,5 2,85714286 0,01085714 3 3,8 2,63157895 0,01085714 4 3,79 2,63852243 0,01085714 Tabla 4. Iteraciones para hallar el valor del radio de influencia.
C2 1 1 1 1
1,48 1,48 1,48 1,48
R 76,6322386 89,4042784 81,7410546 81,9964954
hd 4,23175625 3,70278672 4,02016843 4,00958904
Se determinó un h0 de 3.79, para una radio de influencia de 81.997m y a igual a 1,5:
ℎ = ℎ 0,001∗ = 3,790,001∗ 7 = 3,783 = 0,73+0,27∗ ℎ ∗2∗∗ ∗( ℎ)
Se determina el caudal de la zanja a partir de la ecuación:
= 7,8410− ⁄
Luego se incrementa el caudal en cada punto, en 35 % del valor obtenido para la zanja. El promedio de flujo para una línea finita de wellpoints será alrededor del 35 % mayor que el drenaje indefinido por la zanja y multiplicando este caudal por el número de pozos requeridos, se obtiene al descarga total:
= 1,35∗ 7,8410− ∗ 32 = 0,003387 ⁄ = ,
9. ANALISIS DE COSTOS Realizando una cotización solamente a lo pertinente al abatimiento se realizaron los siguientes cálculos por un día de trabajo, los cuales se muestran en las siguientes tablas para la alternativa de solución antes planteada: Sistema WellPoint DESCRIPCIÓN
U
Rendimiento
Cantidad
Valor Unit.
Valor Parcial
GI
1
150,000.00
150,000.00
Arena especial para GI San Blastin
1
300,000.00
300,000.00
Carrotanque
4
100,000.00
400,000.00
1
1
40,000.00
40,000.00
1
1
1,500,000.00
1,500,000.00
Valor Total
MATERIALES Combustibles y otros
GI
850,000.00
EQUIPOS Y HERRAMIENTAS Herramientas
gl
WELL POINT (Bomba, Inyector, puntas y día sistema de mangueras)
1,540,000.00
MANO DE OBRA Ayudante
día
1
4
30,000.00
120,000.00
Oficial
día
1
2
45,000.00
90,000.00
COSTO DIRECTO Tabla 5. Costos de la Alternativa de Solución WellPoint. Fuente: Autores.
210,000.00
2,600,000.00
10. CONCLUSIONES
Es un sistema simple, versátil y de costo razonable. Este sistema de agotamiento de agua resulta de gran eficiencia y utilidad en este proyecto, ya que, la cota de excavación se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, este sistema de bombeo por generación de vacío, controla el descenso de agua subterránea. Una vez instalada, se succiona el agua para abatir el nivel freático. La limitación se encuentra en la altura de aspiración, por lo que si se quiere profundizar más de 3,6 m, deberán realizarse escalonamientos. El objetivo principal del agotamiento es garantizar que se logren las mejores condiciones de trabajo tanto en la excavación, como durante las diversas fases de la construcción del edificio. Mantener completamente drenadas las fosas, las zanjas y cimentaciones, durante todas las etapas constructivas, eliminando las aguas de cualquier origen (de lluvia, de drenaje superficial, aguas servidas, rotura de tubos, etc.), de modo que el fondo de las fosas, zanjas y cimentaciones no se deteriore, ni su resistencia sea reducida y que las obras puedan llevarse a cabo normalmente y a entera satisfacción del Supervisor. En construcciones civiles se pueden presentar problemas al momento de soportar la estructura en un estrato firme, por ejemplo que los cimientos se encuentren por debajo del nivel freático en una zona en específico, por lo que el manejo de aguas subterráneas es de gran importancia y se deben implementar sistemas en pro del mismo, como lo es el sistema WellPoint. La alternativa de solución óptima es el Sistema WellPoint debido a que resulta económico el alquiler de equipos y costos de implementación en comparación a otros métodos. Este sistema tiene aplicación en un amplio rango de terrenos granulares, aunque su funcionamiento óptimo se produce cuando se instala en arenas de grano medio sin presencia de finos. En otro tipo de terrenos pueden ser necesarias operaciones adicionales de montaje (perforación previa y ejecución de filtro granular). La aspiración del agua se produce por vacío a través de numerosos puntos de captación, tantos como lanzas colocadas, a través de los filtros existentes en los extremos de las mismas. Consiste básicamente en unas lanzas de 2,5 a 6 m de longitud que se hincan separadas entre 1 y 1,5 m de forma paralela a la zanja que se quiere excavar. Estas lanzas se conectan a una bomba de succión.
El montaje del equipo no es complicado. La hinca de las lanzas se realiza mediante inyección de agua a presión a través de las mismas. Una vez colocadas se conectan al colector principal, que a su vez irá conectado a la bomba de vacío, desde donde se conducirá el agua extraída al punto de vertido (con la ayuda de dos bombas incorporadas). El accionamiento y control del funcionamiento del equipo es muy sencillo.
11. REFERENCIAS
1. http://www.construmatica.com/construpedia/Excavaci%C3%B3n_Bajo_Nivel_Fre %C3%A1tico_-_Well_Point – Excavación bajo nivel freático – Well Point. 2. http://www.ferrersl.com/site/assets/files/1490/articulo_descenso_artificial_del_n ivel_freatico_en_centros_urbanos_disen_o_e_instalacion_de_una_red_de_contro l_eficiente_y_sostenible.pdf - DESCENSO ARTIFICIAL DEL NIVEL FREATICO EN CENTROS URBANOS: DISEÑO E INSTALACION DE UNA RED DE CONTROL EFICIENTE Y SOSTENIBLE. 3. http://diagnosticoprlconstruccion.files.wordpress.com/2013/06/libro-ponencias-isemana-seguridad-construccic3b3n-murcia.pdf 4. http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/silviorojas/ZanjasPozos/FlujoHaciaZanjasPozos_2.pdf 5. Geotecnia y Cimientos III. Segunda parte. José Antonio Jiménez Salas.
