DISEÑO DE GALERIA FILTRANTE - 06 DE JUNIO 2013

[DISEÑO DE UNA GALERIA FILTRANTE CON TUBERIA COLECTORA] COLECTORA ] 5 de junio de 2013

TEMARIO

1. Introducción 2. Consideraciones Generales 3. Objetivos 4. Enunciado 5. Diseño a. Memoria de Cálculo 6. Planos a. Croquis en planta de la ubicación de la galería filtrante b. Corte transversal de la zanja y la instalación de la tubería perforada. c. Esquema de la tubería perforada d. Detalle de la cámara de recolección de agua

[DISEÑO DE UNA GALERIA FILTRANTE CON TUBERIA COLECTORA] 5 de junio de 2013

1. INTRODUCCION.Una galería filtrante es un conducto perforado construido en profundidad en el lecho permanente de un río. Las galerías se diseñan para captar el flujo subsuperficial que escurre a través del material permeable del río, o adicionalmente el flujo superficial. Las galerías pueden descargar su flujo ya sea por gravedad o por bombeo. Las galerías son uno de los dos métodos más frecuentes usados para captar el flujo de los lechos de los ríos. El otro es el de los azudes o tomas directas. La descarga puede ser por gravedad, a niveles más bajos que la galería, aunque para esto se necesita recorrer una cierta distancia hasta salir a la superficie. Otra forma es por bombeo desde una cámara situada a un extremo de la galería.

2. CONSIDERACIONES GENERALES.El uso de galerías filtrantes es adecuado en los siguientes casos: a) Cuando una toma superficial no es confiable. b) Cuando la construcción de una galería podría ser la forma más barata de captar el flujo temporal subsuperficial o superficial. c) Cuando no es posible fundar la presa derivadora en material impermeable, lo que puede causar pérdidas de agua. Una alternativa a las galerías es el tajamar, que puede ser considerado como una presa subterránea. Además tiene la ventaja de proveer algún almacenamiento, aunque pequeño. El diseño de presas derivadoras es bastante conocido. El diseño de las galerías es lo menos. Las investigaciones en el sitio requieren determinar las condiciones del suelo y la disponibilidad de agua, lo cual es caro, consume tiempo y no da resultados exactos. Además las propiedades de los lechos de los ríos son altamente variables y no pueden ser descritas exactamente .A pesar de las precauciones que se tomen en la estimación de los parámetros de diseño, errores del orden del 10 al 30 % pueden ocurrir fácilmente. Aún bajo las circunstancias más favorables, se deben esperar como mínimo desviaciones del 5 %. Por un lado esto significa que se debe tomar el máximo cuidado en las investigaciones hidrogeológicas preliminares, pero por otro, no se requiere gran exactitud en los cálculos y en muchos casos un método complicado puede ser reemplazado por uno simple, menos exacto, sin afectar materialmente la influencia de los resultados.

2.1. Captación de aguas subterráneas.Las obras más utilizadas para captación de aguas subterráneas, son las siguientes: 1). Manantiales. 2). Galerías filtrantes. Alvaro R. Carrillo Cuba

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3). Pozos someros. 4). Pozos profundos.

2.2. Condiciones para establecer una galería filtrante Este tipo de obras de derivación se establecen en sitios favorables para recibir la recarga de los ríos y lagos y para facilitar el desplazamiento del agua. Los cuales corresponden a las zonas de depósitos aluviales con niveles piezométricos próximos a la superficie y de alta porosidad efectiva. Los lugares más convenientes para la construcción de galerías de filtración -con el fin de evitar grandes excavaciones- son las márgenes planas de los cursos y cuerpos de agua. Se debe buscar que el material que forma la zona de captación, en el lecho del río, tenga una granulometría que haga trabajar la galería como un filtro lento. Para minimizar la contaminación de las aguas captadas por la galería, es recomendable ubicarla lo más alejada posible de las fuentes de contaminación tales como: lagunas de estabilización, filtros percoladores, letrinas, descargas industriales, etc. Asimismo, por cuestiones de seguridad, el lugar seleccionado para la construcción de la galería de filtración no debe encontrarse expuesto a la acción erosiva de la corriente del agua en curso; ya que pondría en peligro al dren colector, adelgazando el espesor de la capa del suelo que la protege, así como la calidad del agua extraída por falta de un espesor mínimo para que la cubierta de suelo protectora funcione como filtro. Esto último es muy importante, porque casi siempre la ribera de los ríos está formada por gravas, arenas y limos no consolidados que ofrecen muy poca resistencia a la erosión. En cuanto a la distancia que debe existir entre la galería y la fuente de recarga superficial, puede considerarse como distancia mínima la que pueda recorrer la contaminación bacteriana presente en el río o lago. Normalmente, se utiliza la recomendación de la Organización Mundial de la Salud (OMS), con respecto a la distancia que debe existir entre una letrina y una fuente de agua subterránea, que es no menor a 15 metros. La selección entre una galería que comprometa todo el espesor de un acuífero o que sólo aproveche la parte superior del mismo, depende: del espesor del acuífero, de la permeabilidad del suelo, del equipo disponible para hacer la excavación, de las condiciones naturales del área disponible y, sobre todo, de la demanda de agua. En el caso de un acuífero muy delgado, lo más acertado sería colocar el dren en el fondo, de manera tal que se pueda extraer todo el caudal que escurre por él. En el caso de acuíferos de mediano espesor, vale la pena analizar si es más económico efectuar una excavación que comprometa todo el espesor del acuífero o solamente la parte superior, lo que conducirá a obtener un menor rendimiento por unidad de longitud de galería.

2.3. GALERÍAS Las galerías que comprometen la parte superior del acuífero, consideran que la ubicación del dren (por debajo del nivel natural de la napa de agua), en relación con el espesor del acuífero, es pequeña. Es decir, la relación profundidad al estrato impermeable (b) contra la profundidad al dren (z) es mayor a 10:

Alvaro R. Carrillo Cuba

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Las ecuaciones para los acuíferos con escurrimiento propio y con recarga superficial, aplicadas en el presente caso, son:

-

Acuífero con escurrimiento propio: La ecuación general para la obtención del gasto que gobierna este tipo de galería se menciona a continuación ( Figura 1):

1. El largo de la galería, la profundidad, la conductividad hidráulica (Kf), la pendiente del acuífero (i) y el abatimiento de la napa de agua a la altura de la galería (s), son valores conocidos. 2. Al resolver por aproximaciones sucesivas, se va proponiendo “q” y se compara con el “q” calculado, hasta que la diferencia entre ambos sea mínima. La ecuación de Hooghoudt fue desarrollada para el cálculo de drenes paralelos y permite determinar el caudal específico por área superficial y expresa el caudal unitario por área superficial (Figura 2).


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Acuífero con recarga superficial: La ecuación que gobierna esta situación es similar a la anterior, con la única diferencia que el radio de influencia de la galería ( R) es conocido y está representado por la distancia a la fuente de recarga ( D) (Figura 3):

-

Galerías en acuíferos con recarga superficial

Galería en acuífero de gran espesor: Se puede considerar a un acuífero de gran espesor, cuando la relación profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad de ubicación al dren, es mayor o igual a 10 ( Figura 4).


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Galería en acuífero de poco espesor: se considera a un acuífero de poco espesor, cuando la relación profundidad del dren al estrato impermeable, versus profundidad al dren, es menor a 10 (Figura 5).

2.4. Forma, tamaño y distribución de las aberturas El tipo de abertura que se practica en las tuberías son las perforaciones y las ranuras, mismas que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las características del conducto. Según la publicación "The Desing of Small Dams", del "The Bureau of Reclamation", la relación que debe existir entre la mayor dimensión de la abertura y el tamaño de los granos del filtro está dada por la siguiente expresión: (*) D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 por ciento en peso del material filtrante. A su vez, la relación de diámetros entre el forro filtrante y el material granular del acuífero debe ser igual o menor a cinco La distribución de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el área perimetral, tal como se muestra en la Figura 6, lo que evita la creación de zonas débiles por donde podría fallar la tubería.


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2.4. Forro filtrante Este elemento es de suma importancia en el buen funcionamiento de las galerías de filtración. Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto sin que sea afectada la velocidad de filtración, debiendo el forro filtrante ser mucho más permeable que el acuífero. El forro filtrante se asemeja a la capa soporte de los filtros de arena, y pueden aplicarse las recomendaciones que para el efecto existen y que se sintetizan en el Cuadro 6: Alvaro R. Carrillo Cuba

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Cuadro 6. Granulometría del forro filtrante. Capa Diámetro (mm) Altura (cm) Mínimo Máximo

Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas del filtro no excede los 5 ó 10 cm para lograr una filtración eficiente. Sin embargo, para evitar que durante la construcción queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que más bien lo protege contra cualquier defecto constructivo, ya que a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riesgo de que los granos más finos del acuífero sean arrastrados hacia el interior del conducto ( Figura 7).


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2.5. Pozo colector o caja captadora La función de este pozo es reunir el agua drenada por la galería de filtración y facilitar, si fuera el caso, bombearla. El pozo puede ser circular o rectangular, y sus dimensiones deben permitir a un hombre realizar labores tanto de limpieza como de mantenimiento de los conductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión. Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 cm por debajo de la boca de salida del dren, para permitir por un lado la acumulación de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y por otro facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsión del agua, si lo hubiera. Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser fabricados de concreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozo debe llevar una abertura para la instalación de una tapa de concreto o de fierro y, dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de un hombre al fondo del pozo ( Figura 9). En caso que la galería se encuentre ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de agua, y que el área donde se ubica el pozo esté sujeta a inundación durante grandes avenidas, se debe elevar la tapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitar la entrada de agua superficial y la contaminación del agua captada por la galería de filtración. Alvaro R. Carrillo Cuba

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2.6 Información básica La información necesaria para elaborar el diseño de una galería filtrante es:

nsayos de bombeo. -químico y bacteriológico del agua.

2.7 Métodos de

construcción.-

Según investigaciones los métodos de construcción de galerías, de dónde considera a los siguientes 4 como los más importantes: 1. 2. 3. 4.

Secciones de caja de alcantarilla de HºAº, con ranuras o agujeros Cajas de alcantarilla con paredes de mampostería, piso y cubierta de concreto Tubos de concreto perforados tubos de drenaje de acero galvanizado corrugados y perforados

Se considera que el segundo tipo es el de mayores ventajas por ser más rápido de construir y porque disminuye el peligro de daños por crecidas. Los dos últimos son más baratos pero tienen varias desventajas. Las galerías necesitan ser limpiadas períodicamente. La frecuencia de la limpieza depende de la calidad del diseño de los filtros y del tamaño de las ranuras de la galería. Por esta razón los tubos ranurados o perforados de PVC de 12” de diámetro que algunos proponen, no se consideran adecuados. Dado que la galería tiene que permitir la entrada de un hombre, la galería debe tener por lo menos 1.20 m de altura y 0.90 m de ancho. En caso de usar tubería, debe tener por lo menos 4 pies de diámetro. Tubería de infiltración o de avenamiento: son tuberías perforadas o ranuradas instaladas de forma transversal o paralela a los cursos de agua. Es uno de los métodos más empleados por que resulta más barato que la galería filtrante y puede tener muchas aplicaciones. Para el dimensionamiento de la misma, deberá considerarse la cantidad de agua que se quiere captar y la capacidad o rendimiento del agua subálvea. Requiere de una cámara recolectora del agua que al mismo tiempo funcione como desarenador. La longitud de la tubería de infiltración se calcula en función del caudal unitario, utilizando la siguiente fórmula:


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El número de orificios se determina utilizando la siguiente expresión:

2.7.1 Diseño del filtro.Las galerías requieren ser cubiertas por un filtro gradado, usualmente de varias capas. El filtro se diseña para dar una alta permeabilidad rodeando a la galería para asegurar la mínima resistencia hidráulica para el flujo que entra y evitar de esta manera que el material del río entre a la galería a través de las ranuras. Para una galería que capta flujo subsuperficial, el diseño de los filtros. La capa más fina se coloca hacia afuera y la más gruesa hacia adentro. La gradación de los filtros debe cumplir siempre las siguientes reglas, establecidas por Terzaghi:


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Estos criterios dan respectivamente:  Estabilidad para prevenir el movimiento de las partículas del suelo  Permeabilidad  Uniformidad Cuando se grafican las curvas granulométricas, las curvas del filtro deben ser aproximadamente paralelas a las curvas del suelo subyacente. El filtro debe contener menos del 5% del material que pasa por el tamiz Nº 200 (0.074 mm). Para las capas internas del filtro, la capa debe ser diseñada con estos criterios, dónde los parámetros del suelo se reemplazan por los parámetros relativos al filtro de abajo. Para la capa más interna, la gradación debe ser suficientemente gruesa como para prevenir que el material pase por las ranuras de la galería. Para asegurar esto, se debe seguir las siguientes reglas:

El espesor mínimo de la capa de filtro debe ser de 25 cm. Cuando una galería capta flujo superficial, las capas del filtro deberían alcanzar la superficie del río. Pero si el material fino se colocará más arriba, sería fácilmente lavado por la primera crecida, entonces el estrato superior se diseña como una cubierta de protección, ya sea de gaviones o de grandes piedras. El filtro resulta entonces más fino, a fin de atrapar el material grueso que pueda moverse. Cuando se usan piedras como material de protección encima del filtro, deben tener su tamaño de acuerdo a la siguiente fórmula del USBR:

Dónde: v = velocidad de flujo en pies/s d = diámetro de las piedras (tamaño de los bloques) en pulgadas.

3. OBJETIVOS   

Captar agua subálvea de los lechos de los cauces permanentes e intermitentes. Captar agua subsuperficial de las laderas Aprobar la materia de obras hidráulicas I


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4. ENUNCIADO.Se desea captar agua para abastecer a poblaciones de Rio Abajo, mediante una Toma de Galería Filtrante con tubería recolectora construida en la zona de Rio Palcoma que recibe aguas del deshielo del Nevado Mururata. Los datos con los que se cuentan son los siguientes: Caudal, Q = 115 l/s Coeficiente de permeabilidad del terreno, k = 0.28 Profundidad a la que se encuentra el conducto respecto al nivel de agua del rio, a

= 3.3 m Diámetro de la tubería recolectora, Ø = 16” – 0.4064 m Diámetro de los orificios, d = 0,0254 m Radio, r = 0.2032 Velocidad, v = 0.05 m/s Coeficiente de entrada,  = 0.55 Pendiente, S = 0.01 m/m Rugosidad de la tubería de Hormigón, n = 0.013 Tipo de tramo según el cuadro (a), tramo recto en que se construirá la galería,

X=1.25 Profundidad mínima del flujo aguas abajo Y=1.8m Caudal en pies, q=0.530   Factor de aluvión de Lacey para un suelo con piedra, cantos rodados y gravas,

f=10


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5. DISEÑO 5.1. Memoria de cálculo.a) Longitud de la tubería colectora: 

L=

(1)

 

 

(2)

  





 

  



=

   

(2) en (1) L=

 



=

 

L=68.945 m

L=70 [m] La longitud total de la tubería colectora será de 70 m.

b) Calculo del número de orificios: 

n=

(3)



A=



 




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 



(5)



Calculando  para (4):

 

 

     



  



  

   

Calculando (4): 

  

A= A=0.060  Calculando (5):

 

 

 0.0005067  Reemplazando (4) y (5) en (3):

n=

  

  

n=118.413 [orificios-m]


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n=120 [orificios-m] El número total de orificios será de 120 orificios cada metro lineal de tubería.

c) Velocidad en la tubería colectora: Aplicando la Ecuación de Manning:  



V=   



V= 

 

(6)

 

 

 



V= 1.675 [m/s] La velocidad en la tubería colectora será de 1.675 m/s.

d) Calculo de la profundidad de socavación con la ecuación de Lacey: (7)

        

R=0.9*  

(8)

Calculando (8): R=0.9*

  

 =

R=0.273 Reemplazando (8) en (7):       =    

     Alvaro R. Carrillo Cuba

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La profundidad a la que se construirá la tubería perforada será de 1.708 m. Para evitar riesgos, se recomienda hacer las excavaciones por debajo de la profundidad de socavación, por lo tanto se escavara a 2 m por detalles constructivos y protección a la tubería.


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