Métodos de abatimiento del nivel freático

MÉTODOS DE ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO

SANDRA LILIANA LEÓN SIERRA 3021220054 MARÍA CAMILA MORENO 3020910125 JESÚS ALBERTO RENGIFO 3018120948

GRUPO 12

DOCENTE ING. ANDRÉS RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD LA GRAN COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESTABILIDAD DE TALUDES 13 DE NOVIEMBRE DE 2015 BOGOTÁ, D.C. 1

Tabla de contenido INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................4 OBJETIVOS .....................................................................................................................................5 Objetivo general...........................................................................................................................5 ¿CÓMO MEDIANTE EL RU, EL DISEÑO DE DRENES Y LAS REDES DE FLUJO SE PUEDE ABATIR EL NIVEL FREÁTICO? ...................................................................................6 MÉTODOS DE SUBDRENAJE .....................................................................................................7 Subdrenes de zanja. ...................................................................................................................7 Subdrenes de penetración. ........................................................................................................8 Colchones de drenaje. ..............................................................................................................10 Drenes verticales de alivio. ......................................................................................................10 Galerías de drenaje...................................................................................................................11 Drenes de pantalla ....................................................................................................................12 OTROS MÉTODOS DE ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO.........................................12 Wellpoint: ....................................................................................................................................12 Wellpoint por inyección .............................................................................................................14 Método de pozos profundos.....................................................................................................14 Estudio de Ejecución de Rebajamiento ..................................................................................14 Replanteo ...................................................................................................................................15 Proceso de Rebaje ....................................................................................................................15 Criterios de Medición ................................................................................................................16 Control de Calidad .....................................................................................................................16 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS ................................................16 SISTEMAS DE VEGETALIZACIÓN ........................................................................................16 Plantas trepadoras:.............................................................................................................16 Gradería tipo trincho: .........................................................................................................17 Biomantos .............................................................................................................................17 Hidrosembrado ....................................................................................................................17 Mateado con hileras de bambú ........................................................................................17 CONCLUSIONES..........................................................................................................................18 BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA ................................................................................................19

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TABLA DE FIGURAS Figura 1 Presiones de por sobre una superficie de falla potencial para diferentes condiciones de drenaje...................................................................................................................6 Figura 2 Líneas equipotenciales en rocas isotrópicas y anisotrópicas. ...................................7 Figura 3 Sistema de dren de zanja ...............................................................................................7 Figura 4 Subdren horizontal en una vía. ......................................................................................8 Figura 5 Subdrenes horizontales teniendo en cuenta condiciones geológicas ......................8 Figura 6 Dren horizontal. ................................................................................................................9 Figura 7 Subdrén de penetración diseñado para captación en la punta interior. ...................9 Figura 8 Procedimiento de construcción de subdrenes de penetración. .................................9 Figura 9 Colchones de drenaje colocados debajo de un terraplén. .......................................10 Figura 10 Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una carretera. .................................................................................................................................10 Figura 11 Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una vía. ...........................................................................................................................................11 Figura 12 Sistema de pozo vertical con drenes horizontales para la estabilización de deslizamientos. ..............................................................................................................................11 Figura 13 Evolución de la línea de nivel freático al construir una galería de drenaje. .........11 Figura 14 Abatimiento del nivel freático con wellpoints. ..........................................................12 Figura 15 Montaje wellpoint .........................................................................................................13 Figura 16 Componentes del sistema wellpoint ..........................................................................13 Figura 17 Método de pozos profundos .......................................................................................14

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INTRODUCCIÓN

La presencia del nivel freático cerca de la superficie del terreno o a poca profundidad trae una multitud de problemas a la hora de realizar trabajos por debajo de dicho nivel. Una de las soluciones a considerar ante este problema, es el abatimiento del nivel freático, tanto por sus plazos de ejecución como por su economía. El abatimiento del nivel freático es la técnica que consiste en la extracción continua de agua intersticial del terreno, de modo que el perfil de la lámina freática se mantenga por debajo de la excavación a ejecutar, dejando prácticamente seca una zona. Se recomienda emplear el abatimiento del nivel freático, ya sea por estabilidad del terreno o por facilidad de ejecución de obra, realizar un descenso general del nivel freático, en vez de retirar el agua de las zonas ya excavadas mediante bombeo abierto. Para la aplicación de esta técnica se debe tener en cuenta las características hidrológicas del terreno, el tamaño y profundidad de la zona que se quiere desecar, los métodos provistos o posibles de excavación y contención del suelo, el destino y condiciones de funcionamiento de la obra a construir, la proximidad de estructuras ya existentes y el plazo de ejecución.

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OBJETIVOS

Objetivo general: Conocer diferentes métodos de abatimiento del nivel freático.

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¿CÓMO MEDIANTE EL RU, EL DISEÑO DE DRENES Y LAS REDES DE FLUJO SE PUEDE ABATIR EL NIVEL FREÁTICO? La presión de poros es la presión interna del agua de saturación y dentro del suelo depende de la localización de los niveles freáticos, presiones internas de los acuíferos y las características geológicas del sitio. La presión de poros varía de acuerdo a las variaciones del régimen de aguas subterráneas. Los incrementos de presión pueden ocurrir rápidamente en el momento de una lluvia, dependiendo de la intensidad de la lluvia, de la rata de infiltración del área tributaria, etc. Un incremento en la presión de poros positiva o una disminución de la presión negativa, equivale a una reducción de resistencia al cortante y de la estabilidad. Para el análisis de presiones de poros sobre una superficie de falla se deben tener en cuenta sus condiciones de drenaje. Cuando existe drenaje, la presión de poros disminuye hacia la superficie del talud, pero cuando el drenaje es deficiente se puede presentar un aumento importante de la presión de poros en la pata del talud.

Figura 1 Presiones de por sobre una superficie de falla potencial para diferentes condiciones de drenaje. Las características de drenaje se refieren a la facilidad con que un talud puede drenarse en el caso de que llegue a saturarse y se acostumbra a calificarse con los adjetivos: nulo, malo, medio y bueno. Estas características dependen tanto de las propiedades hidráulicas de los materiales constituyentes como de la topografía y la naturaleza de las formaciones geológicas circundantes. 6

En suelos residuales de rocas ígneas y metamórficas las permeabilidades tienden a ser grandes y el subdrenaje bueno, pudiendo ocurrir que el nivel freático generado por una lluvia desaparezca pocas horas después, dificultando el estudio de estabilidad de un talud.

Figura 2 Líneas equipotenciales en rocas isotrópicas y anisotrópicas.

MÉTODOS DE SUBDRENAJE Subdrenes de zanja. Son excavaciones realizadas manualmente o con retroexcavadora (comúnmente rellenas de material filtrante), con el objeto de captar y transportar el agua subterránea y de esa forma, abatir el nivel freático.

Figura 3 Sistema de dren de zanja 7

Subdrenes de penetración. Consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo mediante una perforación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca lograr grandes abatimientos en el nivel freático hasta donde se incremente la estabilidad del talud al valor deseado.

Figura 4 Subdren horizontal en una vía.

Figura 5 Subdrenes horizontales teniendo en cuenta condiciones geológicas

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Figura 6 Dren horizontal.

Figura 7 Subdrén de penetración diseñado para captación en la punta interior.

Figura 8 Procedimiento de construcción de subdrenes de penetración.

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Colchones de drenaje. Se colocan debajo de los terraplenes o llaves de cortante, para impedir el ascenso de los niveles de agua. Consisten en una capa de material grueso permeable de 20 a 50 cms de espesor, envuelto por dos mantos de geotextil. En ocasiones, se colocan mangueras o tuberías perforadas para la recolección del agua captada por el colchón de drenaje.

Figura 9 Colchones de drenaje colocados debajo de un terraplén. Drenes verticales de alivio. Consisten en perforaciones verticales del drenaje para disipar las presiones de poros cuando los acuíferos están confinados por materiales impermeables como puede ocurrir en las intercalaciones de lutitas y areniscas.

Figura 10 Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una carretera.

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Figura 11 Pozos verticales de drenaje con subdrenes de penetración en el terraplén de una vía.

Figura 12 Sistema de pozo vertical con drenes horizontales para la estabilización de deslizamientos. Galerías de drenaje. Son túneles con el objetivo de disipar altas presiones de poros y disminuir los niveles freáticos. Es común para estabilizar grandes deslizamientos.

Figura 13 Evolución de la línea de nivel freático al construir una galería de drenaje. 11

Drenes de pantalla. Son colchones inclinados de drenaje para evitar que en los afloramientos de agua subterránea se formen cárcavas de erosión.

OTROS MÉTODOS DE ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO Wellpoint: Se realiza por bombeo, con bombas de succión de pequeño a mediano caudal, desde pozos poco espaciados, con separaciones desde 1,5m a 3m y con una altura máxima de succión menor de siete metros (7m).

Figura 14 Abatimiento del nivel freático con wellpoints. El sistema de bombeo por generación de vacío, conocido “Wellpoint”, es un método de control de descenso de agua subterránea, aplicable en terrenos granulares de diversa densidad y graduación. Es un sistema simple, versátil y de costo razonable. Este sistema de agotamiento de agua puede resultar de gran eficiencia y utilidad en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la ejecución de sótanos o zanjas para colectores. 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. Cuando se hincan se impulsa agua a presión para introducir con facilidad la laza. Una vez instalada, se succiona el agua para abatir el nivel freático.

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La limitación se encuentra en la altura de aspiración, por lo que si se quiere profundizar más, deberán realizarse escalonamientos.

Figura 15 Montaje wellpoint 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). Los componentes del sistema son:         

Bomba de hinca Lanzas o agujas Mangueras de presión Colectores (para la tubería perimetral) Bomba de vacío Manguitos de unión Accesorios (codos, tes, tapones tubos bifurcados, uniones, mangueras flexibles) Cuadro eléctrico (380 V, 36 A) Alargadores

Figura 16 Componentes del sistema wellpoint Hay varias formas de abatir el nivel freático. La más común de ellas es hacer una zanja colectora del agua en la excavación, donde se coloca a bombear el agua 13

hacia otra parte fuera de la excavación. Se debe tener en cuenta que los volúmenes de agua que se deben bombear son muy grandes, ya que el nivel freático siempre tratara de estar constante, lo que puede incrementar los costos de una obra determinada. Otra de las formas para abatir el nivel freático es la de hacer una serie de pozos alrededor de la excavación, los cuales sacaran el agua de la tierra, bajando el nivel freático en esos puntos, y si tenemos la excavación en medio de estos puntos, el nivel freático de la excavación será abatido. También podemos pensar en hacer una excavación, la cual después de realizada (bajo agua), se puede impermeabilizar, y luego si secar el contenido de agua que queda dentro de esta excavación. Cuando se utiliza este método se debe tener en cuenta la presión que genera el agua tanto lateral como inferior de la excavación, ya que se puede producir el colapso del suelo de la excavación por el levantamiento del mismo, o el colapso de uno de los muros de contención. Wellpoint por inyección: Este método se emplea cuando se necesita instalar Wellpoints de succión a distintos niveles, pues no tiene limitación de altura de la succión. Método de pozos profundos: Se utiliza en el rebajamiento de acuíferos homogéneos que se desarrollan bajo el fondo de recintos de grandes dimensiones a agotar.

Figura 17 Método de pozos profundos Estudio de Ejecución de Rebajamiento Este estudio del rebaje del nivel freático considera los siguientes puntos:   

Características geotécnicas y naturaleza del terreno. Características hidrogeológicas de la o las capas freáticas afectadas. Superficie y profundidad de la zona que requiere ser secada. 14

 

 

Métodos de excavación y de contención de suelos previstos para el caso. Destino y condiciones de la obra a construir, en especial hacer hincapié si durante las obras se requerirá de mantenimiento del rebaje (en forma parcial o todo) después de concluida dicha obra. Seguridad estructural de las edificaciones preexistentes aledañas a la obra. Seguridad de personal en obra.

El estudio definirá como mínimo los puntos siguientes:        

Hipótesis de partida y de cálculo. Definir tipo de rebajamiento. Indicar posición y características de elementos previstos tales como pozos profundos o wellpoints. Indicar procedimientos para instalación. Suministro de energía eléctrica. Situación de la red completa. Medidas de seguridad para operarios intervinientes. Programa de control del rebajamiento y especialmente de la prueba del sistema instalado previo al rebaje total que sirva para comprobar su capacidad.

Replanteo Se comienza definiendo en el terreno la geometría del Proyecto y luego se comprueban los datos obtenidos del terreno a fin de trasladar a la realidad el trazado y cotas de los planos de proyecto. El replanteo definitivo se efectúa estaquillando el eje y los perfiles cada 10 m, indicando en cada perfil el ancho del mismo, inclinación de los taludes y la cota a excavar. Después de haber replanteado el recinto a excavar, se debe realizar el desvío de todos los servicios afectados, en el caso en que los hubiere. Proceso de Rebaje Después del replanteo, se comienzan con las tareas de rebaje por el método Wellpoint, en este caso. Mientras se realizan los trabajos de rebajamiento, deben mantenerse las buenas condiciones de funcionamiento del sistema, prestando atención a los puntos siguientes: 





Debe procurarse que no aparezcan fugas en la red de evacuación ya que podrían producir deterioros en el suelo o en la obra misma y encarecería los costos. Cuidar que la red eléctrica se encuentre con las protecciones necesarias y atendiendo a la seguridad de operarios y personas ajenas a la obra también. El equipo de bombeo debe estar en buenas condiciones de funcionamiento. 15



 

Se confeccionará un parte diario donde consten incidencias, niveles freáticos mantenidos, consumos de energía eléctrica y volumen de agua extraído estimado. Parte semanal como resumen del parte diario indicando los puntos oportunos a considerar. El director de obra debe estar informado de todas las incidencias del rebajamiento que pudieran acarrear consecuencias, tales como movimientos de taludes, arrastre anormal de sólidos, variaciones marcadas en los caudales o niveles freáticos.

A medida que se avanza en la excavación, se van determinando las características de las tierras obtenidas para decidir su uso posterior, si será como relleno, o para transportarse a vertedero o para destino a otro lugar. Criterios de Medición Se mide por Volumen, en m3, a partir de las secciones teóricas previstas y considerando excesos no autorizados, cuando los hubiere. Control de Calidad Durante la ejecución de excavaciones bajo nivel freático por Wellpoint se controlan las siguientes operaciones:     

Estudio del terreno. Ejecución del rebajamiento. Comprobar los servicios afectados. Comprobar los Trabajos de Replanteo. Ejecución del rebaje por método Wellpoint: 1. Perforación de los pozos. 2. Ejecución de desagote por medio de bombas.

  

Excavación del recinto. Características del producto extraído y su acopio. Comprobar la cota final de fondo de la excavación con aprobación de la dirección de obra. MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA DE LOS SUELOS

SISTEMAS DE VEGETALIZACIÓN Plantas trepadoras: trepadoras en el pie del talud. Se siembran hileras de plantas. Muchas de estas plantas requieren de roca para ascender. La mayoría de ellas no ascienden sobre el suelo. 16

Gradería tipo trincho: Se entierran hileras de estacas verticales para sostener ramas horizontales detrás de las cuales se coloca material de relleno. Es necesario que el suelo sea lo suficientemente blando para permitir que las estacas se puedan profundizar suficientemente. Biomantos: Después de plantar la semilla y la fertilización, se cubre el talud con una tela o Biomanto de fibras orgánicas. En los taludes secos se requiere realizar riego continuo para permitir la implantación de la vegetación. Hidrosembrado: La mezcla de semillas, nutrientes y pegantes, se planta a presión con una máquina de bombeo. No resiste grandes intensidades de lluvia y no se debe colocar sobre superficies rocosas. Mateado con hileras de bambú: Se colocan horizontalmente ramas de bambú o guadua sostenidas por estaca y entre ellas, se coloca suelo con nutrientes para la implantación de la vegetación. En los taludes de muy alta pendiente, es difícil sostener las estacas de forma estable. Se requiere que las ramas de bambú estén enterradas dentro del talud, para evitar los flujos de agua por debajo de ellas.

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CONCLUSIONES

Cuando tenemos en construcciones de algunas obras civiles taludes, como es el caso más común de las carreteras, aquí también hay influencia del nivel freático. Si en una época de invierno el nivel freático sube, el suelo que contiene al talud, llega a pesar más por el peso del agua, pudiendo haber un derrumbe del talud en cuestión. También hay que tener en cuenta que el agua, por la presión que genera en el suelo, tiende a separar las partículas sólidas del suelo, produciendo grietas, que en algunos sitios, pueden producir el colapso del talud. También se debe tener en cuenta la acción de las heladas aquí, ya que el talud cambiara de volumen. Se debe tener en cuenta que clase es de la que está compuesta el talud. Si tenemos arcillas plásticas, o limos, es muy probable que por la acción del agua freática, estos limos o arcillas ganen plasticidad, perdiendo resistencia al corte, lo que generaría el colapso de este talud. Para evitar los colapsos de los taludes, se debe tener un buen drenaje, el cual abatirá el nivel freático, disminuyendo la posibilidad de falla por aguas freáticas. Se recomienda hacer filtros dentro del talud, el cual sacará el agua de este. Estos filtros se deben diseñar para las épocas de invierno, ya que en ese momento los niveles freáticos suben y se corre el mayor de los riesgos de colapso de la estructura en cuestión. También se hace necesario hacer un drenaje por debajo del talud, ya que la presión en ese punto puede ser tal que produzca el volcamiento del talud, por eso se recomienda en los taludes con problemas de niveles freáticos, tener subdrenes, los cuales eviten esta clase de colapsos. La mayoría de los métodos de abatimiento de niveles freáticos, tienen en cuenta redes de flujo y elementos finitos para su desarrollo, en este documento presentamos los métodos más significativos para el abatimiento de niveles freáticos.

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BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

Suárez, J. Deslizamientos, técnicas de remediación. Vol 2. febrero de 2009. Bucaramanga, Colombia. http://www.tecnosuelo.com.mx/info/pdfs/TECNOSUELO_ABATIMIENTO_DEL_NI VEL_FREATICO.pdf http://www.urbipedia.org/index.php?title=Excavaci%C3%B3n_Bajo_Nivel_Fre%C3 %A1tico_-_Well_Point http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es/tag/abatimiento-del-nivel-freatico/ http://www.construaprende.com/docs/trabajos/307-aguas-freaticas-construccion http://issuu.com/davidmartin56/docs/manejodelaguasubterraneaenlasconstruccion esciviles

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