Sistemas de Abatimiento Del Nivel Freático

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfgh jklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvb nmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwer ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO. tyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuio pasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghj klzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdf ghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmrty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdf ghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc TOMÁS ROMERO OLÁN ING. CIVIL FES ACATLÁN COMPORTAMIENTO DE SUELOS APLICADA ING. CELSO BARRERA CHAVEZ 27/11/2013

ÍNDICE GENERALIDADES 3 FLUJO DE AGUA EN SUELOS 4,5 MUROS DE RETENCIÓN Y EL NIVEL FREÁTICO 5,6 TALUDES Y EL NIVEL FREÁTICO 6,7 EL NIVEL FREÁTICO EN EXCAVACIONES 7 EXTRACCIÓN DE AGUA EN LOS SUELOS 7-9 MÉTODOS DE BOMBEO 9-16 TIPOS DE BOMBAS UTILIZADAS 16,17 MÉTODOS PARA EL ABATIMIENTO DE AGUA POR MEDIO DE POZOS P OZOS DE BOMBEO 17-21 CONCLUSIONES 21 BIBLIOGRAFÍA 22

Abatimiento del nivel Freático.

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SISTEMAS DE ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO. GENERALIDADES En la construcción de edificios, presas, túneles, etc., frecuentemente se requiere de excavaciones por debajo del nivel freático. Para prevenir desprendimientos en las paredes y asegurar el estado seco de tales excavaciones, es necesario llevar el nivel del agua por debajo de las paredes y del fondo de la misma, trabajando así en condiciones firmes para las operaciones de construcción. En arcillas suaves saturadas, tales como la de la Ciudad de México, el nivel del agua se abate espontáneamente conforme el suelo se excava debido a las presiones de poro negativas inducidas por descarga. Se requiere entonces el bombeo solamente para controlar el flujo de agua, principalmente a través de grietas y lentes permeables, hacia la excavación. También puede ser necesario eliminar las presiones de subpresión en las capas de arena cercanas al fondo de la excavación. El bombeo contribuye a evitar cambios en los esfuerzos efectivos dentro del suelo, los cuales ocasionan expansiones volumétricas y tienen un efecto desfavorable en la resistencia del suelo. También puede usarse para dar una orientación favorable a las fuerzas de filtración dentro del suelo y mejorar así las condiciones de estabilidad de la excavación. La extracción de agua debe reducirse sin embargo a un mínimo para evitar la consolidación y los consecuentes asentamientos del área circundante. En arcillas impermeables, las redes de flujo no pueden usarse para el diseño de sistemas de bombeo, puesto que la condición de flujo no es generalmente establecida. Estos sistemas se diseñan entonces sobre una base empírica, usando la experiencia local. Consisten generalmente de una serie de pozos de pequeño diámetro, incluso para las excavaciones grandes, el caudal de agua extraído generalmente es de unos pocos litros por segundo. El agua del terreno se puede controlar por uno o más tipos de sistemas de bombeo, apropiados al tamaño y profundidad de la excavación, a las condiciones geológicas y a las características del suelo. Un abatimiento diseñado, instalado y operado apropiadamente facilitará la construcción: Bajando el nivel del agua e interceptando la infiltración, evitando que el agua emerja por • las paredes o por el fondo de la excavación. Incrementando la estabilidad de las paredes excavadas. • Previniendo la erosión del material en las paredes o en el fondo de la excavación. • Reduciendo las cargas laterales en el tablaestacado o ademe. • Mejorando las características de la excavación y las tensiones en suelos arcillosos. • Previniendo la ruptura o empuje del fondo de una excavación. • Para un diseño adecuado de un sistema de bombeo es siempre recomendable realizar una • prueba de bombeo para la determinación de: Permeabilidad media o transmisibilidad y radio de influencia. • Gradiente horizontal probable, cuyo efecto puede ser importante en estructuras vecinas o • en pozos de abastecimiento de agua. Las eventuales dificultades de instalación de los pozos, para el diseño y selección del • procedimiento constructivo. • El gasto que se puede extraer de un pozo. Cualquier condición imprevista que pueda afectar el abatimiento. •


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FLUJO DE AGUA EN SUELOS Permeabilidad en los suelos Podemos suponer que el agua al filtrar a través del suelo, lo hace siguiendo un cierto ordenamiento gobernado particularmente por la gravedad y la permeabilidad del suelo. La permeabilidad representa la rapidez con la que el agua se mueve a través del suelo bajo gradiente hidráulico unitario. Flujo de Agua en excavaciones. Al excavar bajo el nivel freático ocurren dos fenómenos: 1.- Disminución de los esfuerzos totales por la descarga de suelo excavado, que genera una disminución de esfuerzos efectivos y de la presión de poros, considerando que se va excavando sin cambio de volumen, existe un efecto de succión. 2.- Tendencia al flujo por la diferencia de niveles de agua entre el interior de la excavación y el suelo circundante. De esta manera se producen dos gradientes que tienden a disminuir los esfuerzos efectivos debidos a la succión por descarga y a la diferencia de niveles de agua. Dependiendo de la permeabilidad del suelo y la geometría de la excavación, se desarrolla un flujo para restablecer la condición hidrostática, durante el cual aumenta el contenido de agua y disminuye el esfuerzo efectivo. El objetivo del bombeo consiste en extraer el agua libre de la masa del suelo, mientras permanezca abierta la excavación, para evitar eventuales condiciones de inestabilidad y deformaciones excesivas Definición de Aguas Freáticas Cuando tenemos una masa de suelo, esta estará constituida por una parte de material sólido, otra parte por líquidos, y otra parte por gases. Pero si empezamos a bajar de la superficie de la tierra, empezamos a ver que cada vez va a ver mayor contenido de agua, hasta el punto que el contenido de aire es totalmente ocupado por el agua, en este punto donde hallamos solo parte sólida, y parte de agua, la llamamos Nivel Freático. Las aguas Freáticas, son entonces las aguas que encontramos cuando el suelo está saturado, y están por debajo de este nivel freático. Este nivel freático es muy variable, y encontramos que en el verano, cuando el calor se hace más intenso, el nivel freático baja, por el proceso de evaporación que genera el calor en el verano. Así también encontramos que el nivel freático en el tiempo de lluvia, sube, y puede llegar hasta muy altos niveles, es decir a muy poca profundidad, el sitio donde empiezan las aguas freáticas, pudiendo ser un factor importante en la construcción, al modificar los suelos en los que construimos.


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Reconocimiento de Aguas Freáticas En el campo podemos conocer el nivel del agua freática abriendo un hueco en la tierra, de tal manera que podamos ver dentro del (50 x 50 centímetros), y esperar que el nivel del agua se estabilice. De esta forma podemos después de una hora más o menos, que el nivel donde tenemos el agua será el nivel freático. Esto también lo podemos saber en el laboratorio, después de sacar una muestra de Suelo, el cual lo podemos extraer con un cilindro, el cual hincamos en la tierra, y luego le damos un giro para poder cortar abajo, de donde se extrae luego un cilindro de tierra, el cual podemos analizar, y saber el punto donde el suelo está saturado, de esta forma, midiendo la distancia de la superficie de la tierra, al punto donde el suelo está saturado, hallamos el Nivel Freático.

El punto donde el suelo está saturado de agua, se puede hallar por medio de el ensayo de Contenido de Humedad, el cual nos permite saber, que porcentaje de agua hay en los vacíos del suelo, y cuando este porcentaje sea el 100%, querrá decir que este suelo está saturado, estando dentro de las aguas freáticas. MUROS DE RETENCIÓN Y EL NIVEL FREÁTICO Los muros de retención, en la ingeniería civil, se hacen para contener tierra (llamada relleno) confinada a un espacio, sin que esta se derrumbe. Para el diseño de estos muros, se tiene debe tener en cuenta las fuerzas que sobre este actúan, donde juegan un papel muy importante las aguas Freáticas. Dentro de las fuerzas que se toman en cuenta al calcular un muro de contención de tierras se tiene el peso del mismo, la presión que hace el relleno sobre este, la reacción de el cimiento del muro, y alguna correspondiente al nivel Freático de las aguas, dentro de los cuales tenemos: Fuerzas debidas a agua tras el muro: Si tenemos agua tras el muro de retención, estas aguas generaran una presión sobre este, teniéndose que tener en cuenta la presión que generara el agua freática, a la hora de hacer el diseño de un muro. Se debe tener en cuenta también que el nivel de


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las aguas Freáticas (nivel Freático) varia con el tiempo, generando un proceso de carga y descarga de la presión hidrostática en el muro, lo que podría generar un colapso del muro por fatiga. La solución para no bajar este nivel freático, sería el de hacer un filtro de aguas en la base del muro, para poder que el agua que ahí se "escurra" por allí. También hay la posibilidad de hacer un muro completamente permeable, como es el caso de los gaviones, que son canastas de alambre, de forma cúbica, rellenas de tierra, lo cual permitiría el paso del agua y esta no generaría ninguna presión. •

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Subpresiones: Cuando tenemos un mal drenaje bajo el muro, se puede almacenar agua en esta zona, produciéndose una presión de aguas freáticas bajo el m uro, lo cual puede llegar al volcamiento del muro. Para esto se debe hacer un correcto drenado de las aguas en cuestión. Las heladas: Si tenemos agua detrás del muro, y llega un tiempo de heladas, esta agua se congelar, produciéndose un cambio en el volumen del suelo, entrando una presión adicional al sistema, la cual puede hacer colapsar el muro.

Expansiones por cambio de la humedad de la masa de suelo: Si tenemos que la masa de suelo que está siendo sostenida por el muro está sometida a cambios del nivel freático, la masa de suelo puede cambiar fácilmente de volumen, mas si se trata de arcillas, o limos, suelos que inducen a un cambio volumétrico al cambiar la humedad del sistema. Si tenemos una época de verano, el nivel freático estará bajo, lo cual no genera presiones laterales por cambio volumétrico del suelo, las que si entraran en el caso de que el nivel freático suba, y el suelo se expanda por la acción de la humedad. Este cambiar volumétrico, generara un ciclo de carga y descarga en el muro, el cual al cabo de varios ciclos, puede fallar por fatiga. Para solucionar esto, se debe tratar de que los suelos que se tengan como relleno no sean expansivos con la humedad, y además tener un buen drenaje del sistema. TALUDES Y EL NIVEL FREÁTICO Cuando tenemos en la construcción 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, como se explico anteriormente. 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 de este, 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.


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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. EL NIVEL FREÁTICO EN EXCAVACIONES Muchas veces en la ingeniería civil, es necesario hacer excavaciones por debajo del nivel freático, lo que puede generar varios problemas si se tiene un suelo permeable, el cual permita que la excavación que se haga, se llene de agua, lo que generaría unas velocidades del agua freática, arrastrando material del suelo a la excavación también, estando sucio siempre la excavación. 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 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 al rededor 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 Se pueden generar muchas otras formas de abatimiento del nivel freático, pero esto realmente se debe determinar al tener el problema real en la obra, y ver todas las variables que esto implica. EXTRACCIÓN DE AGUA EN LOS SUELOS Extracción de agua en suelos arenosos Debido a la alta permeabilidad de los suelos granulares, el flujo se establece de forma inmediata, por lo que el bombeo en este tipo de suelos se diseña para controlar el gasto de agua que se filtra hacia la excavación, esto se realiza para evitar fuerzas de filtración ascendentes y también para que el lugar de trabajo se mantenga en seco. La instalación de instrumentación es necesaria para medir la carga hidráulica en un acuífero y evaluar el rendimiento de un sistema de abastecimiento, para eta evaluación se utiliza piezómetros y pozos de observación. Con el piezómetro se miden presiones, mientras que con el pozo de observación se determina el nivel freático en un acuífero libre. Para la instalación de instrumentos de medidas es necesario que se conozca la estratigrafía de la zona, para no colocar instrumentos inadecuados y obtener información poco factible. Instrumentación en arenas.- Los piezómetros que se utilizan en suelos arenosos son de tipo abierto y se pueden instalar en una perforación previa (piezómetro tipo Casagrande) o hincados (puntas piezométrica). Piezómetro abierto en perforación previa. Consta de un tubo vertical, de PVC o metálico de 1,3 cm de diámetro, con coples cementados y una celda permeable en su parte inferior, esta celda es un tubo de PVC de 4,8 cm de diámetro y 30


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cm de altura, con ranuras horizontales de 1mm que permite el paso del agua . Se acostumbra llenar la celda permeable con arena de partículas mayores de 2 mm, usualmente se coloca un filtro o una malla muy fina para confinar la arena de la celda. Capilaridad de Aguas Freáticas Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un liquido al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior del agua que está dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua está en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este. Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos. Problemas de Capilaridad en la construcción Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática. También encontramos soluciones de aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad. En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático.


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Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad Si tenemos un suelo saturado, el agua estar ejerciendo una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empezara a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el sol, y el agua que hay en el suelo se evaporara, y la masa de suelo tratara de tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empezaran a tratar de bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce unos esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión superficial (al tener el fenómeno de capilaridad del agua). De esta manera el suelo entrara en un proceso de contracción. Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en los canaliculos más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los poros del suelo). MÉTODOS DE BOMBEO Zanjas y cunetas Cuando se tienen pequeñas excavaciones y en algunos tipos de suelos (densos, bien graduados o cementados) es posible, permitir la infiltración de agua por las paredes y el fondo de la excavación y recolectarla en cunetas y zanjas, de las cuales puede ser bombeada posteriormente. Existen serias desventajas cuando el agua infiltrada es recolectada en cunetas abiertas y posteriormente bombeada sin tener la precaución de utilizar filtros. En este caso, puede presentarse el ablandamiento y desprendimiento de las partes bajas de los taludes. Asimismo, en aquellas zonas donde el suelo contiene lentes de arena fina o limo, el agua puede ocasionar la erosión del subsuelo y asentamientos de la superficie adyacente del terreno o desprendimiento de los taludes. La velocidad de la excavación puede volverse lenta como resultado de tener que esperar a que los taludes y el suelo se drenen. En aquellas zonas donde se tienen taludes poco inclinados y la infiltración no es muy grande, los taludes y el fondo de la excavación pueden estabilizarse cubriéndolos con una arena o grava bien graduada.


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Tablaestacado y bombeo abierto En este método de bombeo, el agua de infiltración es forzada a entrar por el fondo de la excavación en el área encerrada por el tablaestacado. De esta forma, el nivel del agua baja mucho más rápido adentro que afuera de la excavación. Si la pérdida de carga es grande, las fuerzas de infiltración en el fondo de la excavación pueden ocasionar que el suelo cambie con rapidez, perdiendo su resistencia al esfuerzo cortante, y dando lugar a cargas excesivas en el fondo removido, con la posibilidad de un colapso brusco. Otra desventaja de este método es que el suelo queda mojado y su manejo se torna difícil. Si se cubre de manera apropiada el fondo de la excavación con una capa-filtro de arena y grava graduadas, se facilita la construcción y el bombeo al exterior del agua de infiltración.

Zanjas y pozos profundos La zanjas tablaestacadas fueron unos de los primeros métodos utilizados para abatir el nivel del agua. Sin embargo, son ineficientes, costosas de excavar y trabajan satisfactoriamente sólo en materiales relativamente gruesos. En sustitución de las zanjas tablaestacadas, es preferible utilizar pozos profundos, con o sin filtros de grava. Sistema de pozos-punta Los pozos-punta son pequeños pozos con pantallas de aproximadamente 5 a 7.5cm de diámetro y de 1m de longitud. Son fabricados de láminas de latón o de acero inoxidable, con cada uno de los extremos cerrados o con su propio sistema de inyección de agua a presión (self-jetting). Un sistema de pozos punta es un conjunto de líneas o círculos de este tipo de pozos, instalados a 1 a 4m alrededor o a lo largo de una excavación, y ligados a un colector común de 15 a 30cm de diámetro, a su vez conectado a un pozo-punta de bombeo (una bomba de vacío y centrífuga combinadas).


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El uso de pozos-punta constituye uno de los métodos más comunes para abatir el nivel del agua durante la construcción de una estructura. Los sistemas de pozos punta son adecuados cuando el sitio donde se va a construir es accesible y el estrato saturado que se pretende drenar no es muy profundo. Los pozos-punta son prácticos y económicos para desaguar pequeñas excavaciones. Por esto, se utilizan con frecuencia en aquellos suelos donde no es necesario abatir demasiado el nivel del agua y para trabajos de cortes abiertos en suelos saturados. Asimismo, los pozos punta pueden usarse para desaguar excavaciones profundas con cortes abiertos, instalando filas de pozos punta a cada 4.5m de elevación aproximadamente.

El espesor medio de la parte más externa del talud drenado por este método no es mayor de 4.5 m aproximadamente. Si la profundidad del corte es mayor de 12 a 15m, la estabilidad del talud debe analizarse teniendo en cuenta las fuerzas de filtración debajo de la zona drenada. Drenaje con pozos profundos El empleo de pozos profundos es otro método conveniente para abatir el nivel del agua del terreno en suelos: Donde la formación se vuelve más permeable con la profundidad, o la excavación penetra • o está delimitada por arena o suelos granulares más gruesos. Donde se tiene un espesor suficiente de materiales permeables abajo del nivel al que el • agua debe abatirse, para una adecuada instalación de pozos y bombas. En contraste con los pozos-punta, este sistema de abatimiento consiste de pozos profundos y bombas sumergibles o de turbina que pueden instalarse fuera de la zona de construcción. Sin


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embargo, en este tipo de pozos también pueden utilizarse bombas eyectoras. En el control del flujo de agua para la construcción del sistema colectivo metro, se han utilizado con éxito estas bombas en pozos poco profundos de 6 a 18 m, controlando extracciones de agua subterránea de hasta 0.5 l/ min. Para abatir el nivel del agua de una excavación, los pozos profundos se pueden utilizar solos, o bien, en combinación con un sistema de pozos-punta.

Los pozos profundos que se utilizan para abatir el nivel del agua, generalmente se colocan con unespaciamiento de 6 a 60 m centro a centro, dependiendo de la profundidad a que se tenga que abatir el nivel freático, de la conductividad hidráulica del estrato saturado y del radio de influencia. Frecuentemente los pozos profundos tienen un diámetro de 15 a 45cm y una longitud de 6 a 17m. En aquellas zonas donde el área por ser desaguada consiste de limos o arenas limosas delimitados por un estrato más permeable, se puede interceptar la infiltración hacia la excavación y bajar el nivel del agua mediante una combinación de drenes verticales de arena (instalados alrededor de la parte superior de la excavación) y de pozos profundos (instalados a la profundidad de la arena). Los drenes de arena permiten abatir el nivel freático de la parte superior del suelo; asimismo, el bombeo en el estrato de arena localizado por debajo del suelo (acuífero semiconfinado o confinado) produce reducción en la presión de poro, provocando el drenaje vertical del acuitardo y el abatimiento del nivel piezométrico. Drenaje horizontal En aquellos suelos en los que no se quiere utilizar cortes abiertos y el empleo de pozos profundos es inadecuado, el nivel del agua puede abatirse utilizando un sistema de drenaje Ranney. Este sistema consiste de diversos tubos perforados horizontales, proyectados de uno o más pozos de concreto reforzado. Los tubos perforados pueden extenderse 60m o más en cualquier dirección. Generalmente, el agua del terreno que fluye dentro del pozo se bombea hacia fuera por medio de una bomba de turbina. Este sistema no es recomendable para abatir el nivel del agua en suelos estratificados. Sistemas de abatimiento por vacío Aquellos suelos, como los limos finos (D10 ≤0.05 mm) con un bajo coeficiente de permeabilidad (10-4≤k≤10-5 cm /s) no pueden ser drenados exitosamente por métodos de gravedad, debido a que las fuerzas de capilaridad ocasionan que el agua quede atrapada en los poros del suelo. En estos casos, el suelo puede ser estabilizado mediante un pozo de vacío o un sistema de pozospunta. El sistema de abatimiento por vacío consiste de pozos o pozos-punta y un tubo más


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elevado rodeado con un filtro de arena . La parte superior de estos pozos se sella con bentonita o material impermeable. Si se mantiene un vacío en el pozo y en el filtro de arena, el gradiente hidráulico produce un flujo hacia el pozo o pozopunta (especialmente en suelos estratificados); asimismo, el suelo en la vecindad de los pozos se estabiliza debido a la presión atmosférica, la cual tiende a prevenir la filtración en toda la excavación e incrementa la presión efectiva en los granos del suelo, así como, la resistencia al corte. Para abatir el nivel del agua en este tipo de suelos, es generalmente adecuado instalar los pozos o pozos-punta lo más cercano posible.

Drenaje por electro-ósmosis La mayoría de los suelos que requieren de un abatimiento de agua, pueden ser abatidos por alguno de los métodos descritos anteriormente, sin embargo, existen algunos limos, limos arcillosos y arenas limo-arcillosas finas que no pueden ser drenados de manera exitosa por alguno de los métodos anteriores; no obstante, sí pueden ser drenados por pozos o pozos punta en combinación con un flujo electroosmótico. Este método de drenaje es conocido como electro-osmótico o método de drenaje eléctrico . La aplicación de la electro-ósmosis para el abatimiento del nivel freático en suelos fue estudiada por el Dr. Leo Casagrande. Si dos electrodos se colocan en suelos saturados y se hace pasar entre ellos una corriente eléctrica, el agua contenida en el suelo se desplaza del electrodo positivo (ánodo) al electrodo negativo (cátodo). Haciendo un pozo en el cátodo, el agua puede extraerse por bombeo. De esta manera, el agua del suelo fluye hacia los pozos (la cual, de otra forma saldría por los taludes excavados y reduciría la estabilidad de la masa de suelo), con esto, se incrementa la resistencia al corte del suelo y la estabilidad de los taludes. De acuerdo con Casagrande, el coeficiente de permeabilidad electroosmótico ke, o la razón por flujo electro-osmótico, es aproximadamente igual para las arcillas, los limos y las arenas. Casagrande determinó que para fines prácticos se puede considerar que la mayoría de los suelos tiene un ke = 0.5x10-4 cm/s para un gradiente de 1 volt/cm, por lo que el gasto extraído por electroósmosis puede ser evaluado con la siguiente expresión:


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donde: Qe Gasto extraído por electroósmosis. Ke Coeficiente de permeabilidad electroosmótico. • H Profundidad de los pozos con respecto al nivel freático. • L1 Separación entre dos pozos contiguos. • E Diferencia de potencial. • rw Radio del pozo. • Un aspecto importante que se ha observado, es que en suelos muy compresibles, el drenaje por electroósmosis no tiene la misma eficiencia que en otros suelos debido a la aparición de grietas alrededor de los electrodos. •

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,


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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, deberán realizarse escalonamientos.

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. 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


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Métodos misceláneos para el abatimiento de agua En algunos suelos gruesos, como las gravas, se ha preferido utilizar inyecciones de ciertas mezclas de materiales para controlar el agua en una excavación. Algunas de estas mezclas son: • Mezcla de bentonita y cemento Pórtland. • Gel de sílice. • AM-9 o similares (productos comerciales que tienen una viscosidad similar a la del agua, que les permite penetrar exitosamente en suelos arenosos finos). Para que las mezclas funcionen correctamente, los vacíos del suelo deben ser lo suficientemente grandes para que la mezcla sea introducida con facilidad y se obtenga un muro más o menos continuo. Otro método que puede ser empleado para controlar el agua subterránea es el congelamiento de una zona del suelo alrededor del área a ser excavada. Sin embargo, este es un procedimiento costoso y que requiere una instalación y diseño experto. En arcillas blandas como las del valle de México, la congelación puede afectar la estructura del suelo y reducir su resistencia. TIPOS DE BOMBAS UTILIZADAS En general, las bombas que se utilizan para realizar el abatimiento se deben seleccionar con una capacidad mayor que para condiciones de operación normal. La capacidad extra es necesaria para manejar el incremento de caudal que se tiene al inicio del abatimiento, así como, para manejar el agua de lluvia que llega a la excavación adicionalmente. Se han desarrollado diversos tipos de bombas, que pueden ser usadas específicamente en el abatimiento del nivel freático en excavaciones. Algunas de ellas se describen brevemente a continuación. Bombas sumergibles Estas bombas se utilizan en procedimientos de bombeo de achique cuando existen pequeñas infiltraciones o agua de lluvia en la excavación y el sistema de bombeo para abatir el nivel freático no las puede expulsar. Tales bombas (tipo becerro) son de baja eficiencia (usualmente 50 a 60 %); las unidades son robustas y por lo tanto, requieren pozos de gran diámetro. Existen en el mercado unidades con potencia mayores que 100 HP para corriente directa o trifásica. El motor sumergible se sella y usualmente funciona dentro de aceite. Están diseñadas para manejar pequeñas cantidades de sólidos en suspensión, pero si el agua contiene cantidades significativas de arena angulosa, se produce abrasión rápida de los impulsores y difusores, ocasionando pérdida de su capacidad. Bombas de pozos-punta Las bombas de pozos-punta (well-point) constan de una unidad centrífuga para bombear el agua, de una unidad de vacío para impulsar el aire y de una cámara de aire flotante para separar el aire del agua. Su potencia disponible comercial varía entre 20 a 250 HP. Debido a que este tipo de bombas opera continuamente con vacíos importantes, es susceptible de dañarse por efecto del fenómeno de cavitación.


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Bombas tipo eyector Los eyectores son bombas fluido-dinámicas que utilizan la energía de un fluido (primario) para mantener un caudal de otro fluido (secundario) mediante un salto de presión. Algunas de sus características son que carecen de partes móviles, no precisan mantenimiento, trabajan con todo tipo de fluidos, son confiables en su funcionamiento y pueden instalarse en cualquier posición. Los sistemas eyectores son particularmente efectivos en suelos finos donde se requiere un bombeo de pequeños volúmenes de agua y para los cuales la baja eficiencia de los eyectores no es una desventaja. MÉTODOS PARA EL ABATIMIENTO DE AGUA EN SUELOS POR MEDIO DE POZOS DE BOMBEO Para el buen diseño de las redes de bombeo y condiciones de flujo subterráneo, es necesario conocer algunas propiedades hidrológicas del medio, las cuales se determinan mediante pruebas de bombeo, de permeabilidad, y pruebas geofísicas para conocer indirectamente la estratigrafía del suelo; además esta información se complementa con el muestreo directo, muestras de canal, muestras de penetrómetro o shelby, etc. La aplicación que tiene la estimación de las condiciones de filtración logradas mediante pozos de bombeo es múltiple, en particular cuando se trata de abatir el nivel freático por medio de ellos (SMMS, 1989), por ejemplo para realizar una excavación en seco o para determinar los coeficientes de permeabilidad in situ. A continuación se presentan en forma breve los distintos métodos que existen para evaluar las condiciones de flujo inducidas mediante pozos, primero para pozos individuales y posteriormente para sistemas de varios pozos. Pozos individuales Acuíferos confinados

En el caso de un pozo confinado (o pozo artesiano), como se muestra en la figura, el abatimiento en función del gasto que se extrae se determina con la expresión siguiente:

El gasto se determina por tanto como:

donde: • • • • • • • •

S = H - z Abatimiento de la superficie piezométrica k Coeficiente de permeabilidad del suelo. D Espesor del estrato permeable. H Elevación original del agua. ro Radio del pozo. r Distancia entre la sección analizada y el centro del pozo. R Radio de influencia del pozo. q Gasto extraído del pozo.


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Pozo en acuífero libre

El abatimiento de un pozo en acuífero libre se puede obtener con la Expresión.

Asimismo, el gasto en dicho pozo resulta

donde: • • • • • • •

H Elevación original del agua. z Elevación del agua para un determinado radio r. k Coeficiente de permeabilidad del suelo. q Gasto extraído. r Distancia entre la sección analizada y el centro del pozo. R Radio de influencia del pozo. ro Radio del pozo.

Pozos con penetración parcial Caso confinado

De acuerdo con la figura, donde hs es la penetración parcial del pozo y qp es el gasto correspondiente, si se compara este gasto con el que se tendría si la penetración fuera total (gasto q), se presentarían las siguientes condiciones:


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• •

Si qp = q, entonces Sp > S (el abatimiento para un pozo con penetración parcial es mayor que el abatimiento para un pozo con penetración total). Si Sp = S, entonces q p < q puesto que el abatimiento se está concentrando en la parte superior del acuífero.

Sin embargo, para una distancia del pozo mayor de 2D, se puede despreciar el efecto de la penetración parcial en lo que se refiere a la forma del flujo y al abatimiento. El análisis de pozos con penetración parcial es en general complicado, excepto para los casos muy simples. Por tanto, el abatimiento total ST de un pozo con penetración parcial se puede obtener con la expresión:

Dividiendo el gasto qp de la expresión anterior entre el gasto q que se obtendría para el caso de un pozo con penetración total se obtiene:

donde: • • • • •

hs Penetración parcial del pozo. qp Gasto correspondiente. R Radio de influencia. rw Radio del agua en el pozo D Espesor del estrato permeable.

Acuífero no confinado

En el caso de pozos con penetración parcial en acuíferos no confinados la siguiente expresión da una buena aproximación, cuando el abatimiento es pequeño con relación a H.

Donde las variables de dicha ecuación son las que se definieron anteriormente.


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Consideración de varios pozos en el cálculo del abatimiento Acuífero libre (no confinado)

Para calcular el abatimiento del nivel de un acuífero cuando se utilizan varios pozos, se puede utilizar la ecuación de Forchheimer, la cual se obtiene a partir de la ecuación de continuidad de flujo (el gasto de salida es igual al gasto de entrada). Por tanto, cuando se tiene un grupo de N pozos con una distribución circular, de los cuales se extrae el mismo gasto , el abatimiento se determina co.

donde: • • • • • • •

Zc Altura media en el grupo de pozos (abatimiento) H Elevación original del agua. N Número de pozos. q Gasto en cada pozo. k Coeficiente de permeabilidad del suelo. R Radio de influencia del sistema de pozos. rc Radio del círculo que forma el grupo de pozos.


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Acuífero confinado

Para el caso de pozos confinados es posible hacer una superposición, por tanto, el abatimiento total en un punto determinado es:

donde: • •

Si Abatimiento debido al pozo i en el punto considerado. n Número de pozos.

En este análisis se supone que las condiciones de frontera no cambian y que el radio de influencia R permanece constante. Sin embargo, R depende de la cantidad de agua que se extrae por unidad de tiempo. En este análisis se supone que las condiciones de frontera no cambian y que el radio de influencia R permanece constante. Sin embargo, R depende de la cantidad de agua que se extrae por unidad de tiempo.

CONCLUSIONES. Algunas obras de ingeniería como en el caso de edificios con sótano o de alguna obra subterránea, se necesitan excavaciones bajo el nivel freático. Para realizar estos tipos de obras es necesario el abatimiento del nivel freático por debajo del nivel de desplante para prevenir la erosión, fallas de taludes, disminuir la presión sobre elementos de soporte y conseguir condiciones de trabajo en seco. El agua del suelo debe manejarse por medio de un sistema de bombeo adecuado al tamaño y profundidad de la excavación y el tipo de suelo.


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Sistemas de Abatimiento Del Nivel Freático

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