Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos filtrantes

Figura 1. https://www.griffindewatering.com/construction-dewatering/deep-well-system/

Una excavación bajo nivel freático se puede realizar mediante un sistema de bombeo desde pozos filtrantes. Se trata de pozos profundos (deep wells), separados en función de su radio de acción, cada uno de los cuales tiene su propia bomba sumergible en el fondo de la perforación con salida a la superficie mediante una tubería.

La potencia y el reducido tamaño de algunas electrobombas centrífugas permite su colocación en el fondo de pozos y extraer con ellas el agua por encima de la cota de excavación. De esta forma se consigue un descenso temporal del nivel freático con la consiguiente desecación del terreno.

 

Se llaman pozos filtrantes pues disponen de una capa de material filtrante de granulometría adecuada para evitar el lavado de finos. De este modo, el nivel freático queda deprimido alrededor del pozo, hasta alcanzar un equilibrio entre el caudal de agua achicado por las bombas y la que se introduce en cada pozo debido a la permeabilidad del terreno (Figura 2).

La profundidad del pozo no está limitada y se suele dejar un margen de perforación en material permeable por debajo del freático mínimo. Es un sistema de drenaje especialmente útil cuando se necesita un gran descenso del nivel freático y particularmente adecuado en terrenos que aumentan su permeabilidad con la profundidad, llegando a terrenos granulares. La acción de estas bombas sumergidas a profundidades variables, hasta 25-30 m, facilita el bombeo de caudales de unos 300 l/min, en radios de acción de unos 20 m.

Figura 2. Agotamiento profundo del nivel freático mediante un pozo filtrante. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).
Figura 3. Sección transversal de un pozo filtrante. Elaboración propia basado en García Valcarce et al. (1995).

La ejecución de este drenaje profundo pasa por la instalación, durante la perforación del pozo, de un tubo recubierto por una camisa provisional de acero que se retira posteriormente. Al mismo tiempo que se retira la camisa, se rellena el hueco por un filtro formado con arena y grava con la granulometría adecuada. Este tubo está ranurado a partir de una determinada profundidad y se encuentra recubierto por varios tamices (Figura 3). Por último, se bombea el agua sucia y se instala la bomba sumergible.

En definitiva, el procedimiento constructivo del sistema de pozos drenantes sería el siguiente:

 

  1. Se introduce a presión, hinca o vibración, una tubería de unos 400-600 mm de diámetro. Los tramos se unen mediante roscado a medida que avanza la perforación hasta llegar a la cota prevista.
  2. Se extrae el terreno y se vacía el interior del tubo provisional.
  3. Se introduce por el hueco un tubo filtrante de 150-300 mm de diámetro. Cerrado en su base y perforado con orificios de 1 a 2 cm hasta cierta altura; en esa altura, el tubo va envuelto en un filtro formado por una o varias mallas de latón, cobre o estaño, que impiden la colmatación de los orificios durante el bombeo.
  4. La bomba se deposita en el fondo.
  5. Se rellena el espacio entre el tubo filtrante y el tubo provisional con un material granular que facilita la entrada del agua.
  6. Se retira el tubo provisional con el mismo gato o martinete de hinca.

En la Figura 3 se presenta una sección transversal típica de un pozo filtrante, aunque pueden existir múltiples variantes. Los pozos filtrantes presentan un diámetro entre 150 y 500 mm, dependiendo del tamaño de las bombas sumergibles, con filtros de una longitud entre 5 y 25 m. Se debe comprobar que el espesor de la capa material permeable, bajo el que debe rebajarse el nivel freático, sea suficiente para garantizar la inmersión eficaz del filtro y de la bomba.

Los pozos se disponen en batería, a una distancia entre ellos que garantice que el rebajamiento del nivel freático sea suficiente para mantener la excavación seca (Figura 4). La separación típica entre ellos se sitúa entre 6 y 70 m, dependiendo del rebaje deseado, de la permeabilidad del terreno, de las fuentes de filtración y de la altura de inmersión disponible para las bombas.

Figura 4. Efecto de la separación entre pozos en la depresión del nivel freático. Elaboración propia basado en Tomlinson (1982).

En un terreno muy permeable, como son unas gravas, la depresión formada es muy plana, pudiéndose colocar los pozos más distanciados. En cambio, con arenas limosas, menos permeables, las depresiones formadas presentan curvas más pronunciadas, por lo que la separación será menor. Evidentemente, a mayor separación entre pozos, se necesitarán bombas de mayor capacidad.

Por otra parte, los pozos podrán separarse si la capa impermeable se encuentra alejada al fondo de la excavación. En caso de estar este estrato cercano al fondo de la excavación, se tendrán que acercar los pozos para que el rebajamiento funcione adecuadamente.

En cuanto a las ventajas del sistema de pozos filtrantes destacan las siguientes:

  • Es adecuado para reducir las presiones intersticiales en acuíferos confinados.
  • Se puede combinar con el uso de well-points.
  • Pueden quedar fuera del recinto de excavación, sin interferir en el resto de procedimientos constructivos.

Como inconveniente cabe destacar su coste elevado. Además, es importante señalar que la propia excavación del pozo y la depresión del nivel freático suelen aumentar los asientos en superficie, por lo que se debe prestar un especial cuidado ante estructuras próximas.

Os paso un vídeo de la empresa Perforaciones Ferrer S.L. en la que se describe el sistema de control del nivel freático para la construcción del Centro Comercial Arena (Valencia).

Os dejo algún vídeo sobre la ejecución de este sistema de drenaje.

https://www.youtube.com/watch?v=EXOQgRaNFdE

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde zanjas perimetrales

Figura 1. https://gharpedia.com/blog/dewatering-methods-for-waterlogged-area/

El agotamiento del agua a cielo abierto (open sump pumping) de grandes excavaciones puede realizarse mediante bombeo desde zanjas perimetrales a la excavación (dewatering by constructing drains). Estas zanjas, más profundas que la excavación principal, llevan el agua a unos pozos o sumideros donde una bomba la evacua fuera de la excavación. En el caso de áreas extensas, incluso se pueden disponer zanjas intermedias, además de las perimetrales. Se trata de un sistema de poca complejidad y, normalmente, de menor coste frente a otros sistemas.

Tanto las zanjas como los sumideros se realizan con maquinaria de excavación convencional. Las bombas deben ser suficientemente robustas como para afrontar el manejo de partículas sólidas y finos. Este sistema presenta problemas con suelos granulares, por su poca estabilidad cuando se encuentran saturados. Se trata de un sistema que solo es útil cuando el volumen de agua aportado por el terreno no es muy alto. La zanja drenante se rellena de árido graduado para garantizar su integridad y retener los finos, evitando la erosión del suelo; pero si los suelos son suficientemente estables y cohesivos, no se precisa de dicho relleno.

En el caso de que se deba drenar una cantidad de agua importante, se debe incrementar la sección de la zanja, aumentar la pendiente, e incluso, colocar tuberías horizontales fisuradas dentro de la zanja drenante para favorecer la circulación del agua hacia los sumideros. Antes de disponer los áridos que rodean esta tubería, se coloca una membrana de geotextil para evitar la salida de finos. A este tipo zanja con tubería horizontal fisurada, de unas dimensiones de 0,50 m x 0,50 m (o superior) se le denomina drenaje francés (French drain).

El sistema es adecuado para descensos someros del nivel freático, entre 1 y 2 m, donde el nivel previo al bombeo se encuentre próximo a la superficie del terreno. En efecto, en condiciones de presión atmosférica, el máximo nivel de aspiración real de la bomba se reduce a unos 7,5 m, como mucho. Es por eso que excavaciones a mayor profundidad requeriría de una batería escalonada de bombas o bien utilizar bombas sumergibles.

Figura 2. Sistema de bombeo con zanja perimetral desde pozos abiertos.

La profundidad de las zanjas y sumideros puede aumentarse a medida que avanza la excavación (Figura 3). El fondo de las zanjas debe mantenerse 0,30-0,60 m por debajo del fondo de la excavación. En excavaciones pequeñas, la profundidad de las zanjas puede ser de 0,30 a 0,60 m con un ancho de 0,40 m y una relación de inclinación de 1:1-1:1,5. También se dispone una pequeña pendiente de 0,2-0,5 % para el buen drenaje de la zanja. Los sumideros suelen ser cúbicos, de 1 m de lado. El espaciamiento de centro a centro de los sumideros a lo largo de la línea central de las zanjas puede variar de 20 a  a 30 m. El sumidero final debe ser lo suficientemente profundo como para que, cuando se bombee hacia afuera, se drene toda la excavación. El fondo del sumidero se sitúa entre 0,40 y 1,00 m por debajo de las zanjas. Las paredes del sumidero se pueden reforzar con tablas de madera y otro material. Para evitar el arrastre de partículas finas suele revestirse el sumidero con un material filtrante. El bombeo debe realizarse de forma continua hasta que terminen las operaciones.

Figura 2. Profundización de zanjas perimetrales y sumideros. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-10-0669-2_4

Uno de los problemas del sistema es que la corriente subterránea de agua puede arrastrar partículas finas y aumentar la presión intersticial del terreno colindante, con el consiguiente riesgo de subsidencias o asientos indeseados en estructuras colindantes. En casos extremos se podría producir erosión interna, sifonamiento, roturas de fondo o deslizamiento de taludes. Este fenómeno puede producirse cuando las pendientes son pronunciadas o existe un potencial hidráulico elevado. Cuando hay filtración de agua por el talud de la excavación, a veces es suficiente proteger la base del talud (batter protection) con una berma de gravas o sacos de arena para evitar su erosión o fallo por colapso; pero en otros casos, sobre todo en zonas urbanas, el riesgo de inestabilidad de los taludes de la excavación aconseja la construcción de recintos cerrados con muros pantalla o tablestacas y bombear el agua que penetre en el recinto. En este caso resulta imprescindible asegurarse de que no existe levantamiento del fondo, sifonamiento o erosión interna.

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Clasificación de las técnicas de control del nivel freático en excavaciones

Figura. Bajo nivel freático. https://www.keller.com.es/experiencia/soluciones/bajo-nivel-freatico

Cuando se realiza una excavación, la presencia de agua subterránea siempre provoca problemas. No solo dificulta el desarrollo de los trabajos, sino que también debilita los taludes o el fondo, comprometiendo su estabilidad.

El impacto del agua es de tal relevancia que condiciona el diseño de la estructura y del procedimiento constructivo, afectando consecuentemente al coste. Por tanto, no hay más remedio que impedir en lo posible la entrada de agua en la excavación (barreras físicas permanentes o provisionales) y expulsar fuera la que pudiese entrar (bombeos), o bien modificando las propiedades en el terreno y el agua (inyecciones en el terreno, congelación).

Todas las técnicas que permiten excavar en presencia de agua, tanto sea creando barreras impermeables al abrigo de las cuales es posible drenar la excavación, o bien extrayendo el agua con un caudal mayor al que el terreno puede proporcionar, se van a denominar técnicas de control del nivel freático.

Figura 2. Posibilidades de control del nivel freático mediante extracción del agua o por barreras impermeables

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las técnicas en (a) sistemas de contención de agua: tablestacas, ataguías, muros pantalla, congelación o inyección del terreno; y (b) sistemas de drenaje de excavaciones: bombeo desde zanjas perimetrales, bombeo desde pozos filtrantes, bombeo con agujas filtrantes (wellpoint) y electroósmosis. Por su parte, García Valcarce et al. (1995), además de los sistemas de contención de agua mencionados, subdivide los sistemas de drenaje en sistemas de drenaje propiamente dichos y sistemas de agotamiento, donde entrarían los drenajes profundos.

No obstante, existen más clasificaciones. Por ejemplo, Powers (1992) clasifica dichas técnicas en cuatro grupos:

  • Sistemas de bombeo abierto (sump pumping): el flujo del agua de una excavación se recoge en zanjas y sumideros y posteriormente se bombea al exterior.
  • Sistemas de predrenaje o drenaje previo del terreno (predrainage): antes de excavar se drena el suelo mediante pozos de bombeo, wellpoints, eyectores o drenes. Se pretende una excavación en seco.
  • Sistemas de diafragmas o de contención del agua (cut off): mediante tablestacas, muros pantalla, pantallas de lodos, congelación del terreno o inyecciones. Suelen usarse en combinación con los sistemas de bombeo.
  • Sistema de exclusión del agua (excluded): mediante aire comprimido, una entibación de lechada o con una entibación de presión de tierras.

En el caso de la extracción del agua, tenemos dos posibilidades en función del momento en que realiza en relación con la excavación:

  1. Agotamiento del nivel freático, cuando se evacua el agua del recinto de la excavación conforme se produce su filtración. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación.
  2. Rebajamiento del nivel freático, cuando se hace descender el nivel freático por debajo de los taludes y el fondo del recinto de la excavación. Se controla y evacua el agua antes de la excavación.

Normalmente el rebajamiento es preferible al agotamiento directo, entre otras, por las siguientes razones:

  • En el caso del agotamiento, el recinto excavado está más o menos blando y encharcado, lo cual dificulta el paso de operarios y maquinaria. Con un rebajamiento previo, la excavación puede realizarse prácticamente en seco e incluso con un terreno ligeramente cohesionado debido a las fuerzas capilares. Además, es más sencillo excavar y transportar un terreno más bien seco que empapado.
  • El agotamiento puede provocar sifonamiento y tubificación, puede descomprimir el terreno o degradarlo por arrastre de finos, convirtiéndolo en colapsable.
  • El rebajamiento contribuye a aumentar la estabilidad de los taludes y disminuye los empujes sobre las estructuras de contención (entibación, pantallas o tablestacas). El rebajamiento puede utilizarse, incluso, para aumentar la presión efectiva y provocar su consolidación.

Pero también existen algunos inconvenientes con el rebajamiento del nivel freático:

  • Si falla el dispositivo que mantiene el rebajamiento, puede entrar en poco tiempo agua en la excavación, desmoronándose taludes o levantando el fondo.
  • Como el rebajamiento no se realiza en un área muy concreta, en los alrededores se producirá un aumento de las tensiones efectivas, y por tanto, asientos que pueden producir daños en estructuras próximas.

Los métodos apropiados de control del nivel freático dependerán de la naturaleza del suelo y de la profundidad de la excavación. Así, en función de la permeabilidad del terreno, la remoción del agua puede hacerse por gravedad, por aplicación de vacío o por electroósmosis. Así, el agotamiento se utilizará en gravas, pues presentan una elevada permeabilidad, con caudales importantes y terrenos poco erosionables. Una permeabilidad entre 10-1 < k < 10 (m/s) permite el agotamiento desde la misma excavación, si ésta penetra menos de 3 m en el nivel freático. Para mayores permeabilidades o mayores profundidades de excavación, habría que recurrir a otros procedimientos constructivos. En cambio, el rebajamiento será útil en arenas o arenas limosas, con una permeabilidad entre 10-6 < k < 10-1 (m/s). En el caso de arcillas y limos, con permeabilidades entre  10-7 < k < 10-6 (m/s), el rebajamiento suele realizarse por vacío o electroósmosis, pues el caudal es bajo y el cono formado por la depresión del nivel freático se realiza lentamente. Para permeabilidades menores, comprendidas entre 10-9 < k < 10-7 (m/s)  basta con hacer algún agotamiento periódico de la excavación. Para permeabilidades menores a 10-9 (m/s), se puede excavar en seco.

Como complemento, os dejo también, por su interés, un artículo de Ferrer, Davila y Sahuquillo donde se analiza el proceso de drenaje en obra civil ubicada en zona urbana. Espero que os sea útil.

Descargar (PDF, 2.01MB)

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Motoniveladoras

Motoniveladora. Wikipedia

Son máquinas autopropulsadas sobre ruedas cuya función principal va a ser la de nivelación y refino del terreno, reperfilando el material de los pequeños montones altos y moviendo pequeñas cantidades del mismo a poca distancia. Consisten fundamentalmente en un tractor de neumáticos del que arranca un robusto puente-bastidor del que se suspende una hoja niveladora, que puede adoptar diversas posiciones en el espacio, y situada entre los ejes delantero y trasero, pero delante del motor.

Suele trabajar con motor diésel turboalimentado, situado tras la cabina del operador, esto es, en la parte zaguera de la unidad. Su potencia abarca una extensa gama que va desde 30 a 325 CV, siendo los modelos más usados en carreteras de 100 a 200 CV, con una velocidad de transporte que, en algunos modelos, puede llegar hasta los 45 km/h. La relación potencia/peso se sitúan entre 10 y 12 CV/t. La transmisión puede ser mecánica, hidrostática o hidrodinámica, siendo ésta última la normal, mediante convertidor de par. La caja de cambios es del tipo power shift, que permite cambios de marchas sin parar la máquina ni desembragar.

Como curiosidad, Humberto Acco, un contratista italiano, construyó en 1980 la que se considera la mayor motoniveladora del mundo. Construyó una máquina para el desierto de Libia, aunque no llegó a utilizarse por el embargo americano a Libia. La máquina se utilizó en algunos trabajos de explanación en Italia y esta plenamente operativa en las instalaciones de ACCO. Esta maquina pesa unas 200 t y monta dos motores Caterpillar uno de 1000 CV en la parte trasera y otro de 700 en la delantera, la cual pertenece a la cabeza tractora de una mototrailla Caterpillar 657. La hoja (cuchilla) tiene una longitud de 10 m.

La mayor motoniveladora del mundo. Vía http://ingenieriaycomputacion.blogspot.com

Os dejo unos cuantos vídeos sobre cómo funcionan estas máquinas. En el primero veréis cómo pueden recortarse taludes, en el segundo se aprecian bien los movimientos de la hoja y en el tercero no os perdáis cómo se hundió esta máquina (hacia el final del vídeo). Espero que os gusten y os aclaren ideas.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 pp.

Pantallas de tablestacas arriostradas con anclajes al terreno

Si se pretende realizar una excavación profunda, dejando el recinto libre de obstáculos, tendremos que realizar un arriostramiento de las pantallas de tablestacas mediante anclajes al terreno. De esta forma podremos limitar las deformaciones en la pantalla.Esto permite realizar excavaciones junto a elementos a proteger, como edificaciones, instalaciones, etc. Eso sí, siempre que se pueda realizar el anclaje correspondiente.

El método constructivo pasa por realizar la excavación por fases, de forma que se puedan efectuar los anclajes y su tesado antes de proseguir con la excavación a mayor profundidad.

Este tipo de arriostramiento permite su uso en grandes recintos con muy diversas geometrías. Además, al no presentar la excavación obstáculos, se pueden alcanzar grandes rendimientos en los vaciados dentro del recinto.

Aunque en este post no vamos a dedicarlo al cálculo de estas estructuras, sí que es importante mencionar que una parte nada despreciable de roturas de tablestacas ancladas se han debido a un incorrecto o poco cuidadoso diseño o ejecución de los dispositivos de unión entre el tirante y la pantalla.

 

 

Os paso una animación de cómo se realiza el anclaje:

Referencias:

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

Hinca de tablestacas por impacto

La hinca de tablestacas por impacto, percusión o golpeo es una de las técnicas más antiguas y que se emplea en aquellos casos de suelos de mayor consistencia donde la vibración no es suficiente. El martillo de golpeo sujeta a la tablestaca por su parte superior y le transmite los impactos generados por una maza alojada en su interior.

Resulta muy importante la razón entre el peso de la maza y el peso de la o las tablestacas que van a introducirse en el suelo. Es necesario un sobreretes y sufrideras para distribuir el golpe y proteger la cabeza de la tablestaca. El sombrerete o casco de protección es una pieza de acero fundido o chapones soldados que se colocan en la cabeza de la tablestaca, la sufridera es una pieza colocada en la parte superior del sombrerete que distribuye la onda de choque de la maza y la galleta o almohadilla, de pequeño espesor, asegura el buen asiento del sombrerete con la cabeza de la tablestaca.

Se pueden distinguir dos tipos fundamentales:

  • Martillos de simple efecto: el ariete cae libremente sobre la tablestaca. Sirve para cualquier terreno. Se utilizan mazas pesadas con recorridos cortos para minimizar el daño en la cabeza de la tablestaca y el ruído. Normalmente se dan unos 60 golpes por minuto.
  • Martillos de doble efecto: el ariete cae acelerado por la presión suministrada por aire/vapor o un sistema hidráulico. Son más eficientes, con hasta 120 golpes por minuto.

Según el Art. 673 del PG-3, En el caso de mazas de simple efecto, el peso de la maza propiamente dicha no será inferior a la cuarta parte (1/4) del peso de la tablestaca, si se hinca la tablestaca de una en una, o a la mitad del peso de la misma si se hinca por parejas. La energía cinética desarrollada en cada golpe, por las mazas de doble efecto, será superior a la producida, también en cada golpe, por la de simple efecto especificada, cayendo desde una altura de sesenta centímetros (60 cm).

Asismismo, las tecnologías empleadas para accionar el martillo de golpeo son:

  • Accionamiento neumático, para usarse sustentado por una grúa
  • Accionamiento diésel, acoplado a un vehículo autotransportado

 

Os dejo un vídeo de un martillo diésel que espero os guste:

Y este otro martillo neumático, que como veréis, es bastante pequeño y efectivo:

Referencias:

BENEGAS, M.J. (1977). Tablestacas: Sistemas de hinca y su práctica. Revista de Obras Públicas, 3141: 29-35.  (link)

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

Ingeniería civil humanitaria. Cómo afrontar una emergencia: Lecciones aprendidas de Totalán

Comienzo de los trabajos realizados por la Brigada de Salvamento Minero. Fuente: Ángel García, 2019

En muy pocas ocasiones redacto artículos de opinión en mi blog. Sin embargo, en este caso, la importancia del tema me obliga a tomar posición y escribir acerca de un asunto que, creo en España, podría hacerse mucho al respecto. Se trata de cómo afrontar una emergencia difícil, donde hay vidas en juego. Voy a intentar aprovechar la experiencia de un suceso dramático para extraer algunas lecciones aprendidas que, espero, alguien tenga a bien leer y aplicar.

Todo ello viene por la conferencia impartida el pasado martes 24 de septiembre de 2019 en la Escuela de Ingeniería de Caminos de Valencia por parte de Ángel García y Mauricio Delgado. Todo el mundo conoce la noticia: durante trece días España estuvo pendiente del rescate del pequeño Julen, en el municipio malagueño de Totalán. Tanto Ángel como Mauricio, integrantes de un equipo reducido de ocho ingenieros de caminos, explicaron con mucho detalle las circunstancias técnicas y humanas que supuso esta tragedia. El salón de actos de la Escuela se abarrotó, quedando muchas personas en pie escuchando la charla. Reconozco que me emocioné profundamente al escuchar el relato, al igual que todas y cada una de las personas que acudieron al acto. Se trató, tal y como dijeron los conferenciantes, de una obra de ingeniería civil humanitaria sin precedentes. Especialmente interesante fue resaltar la importancia de los procedimientos constructivos en la resolución del problema, algo que me satisface personalmente por se catedrático de esta asignatura en la Escuela de Caminos de Valencia. El resultado fue que la profesión de ingeniería de caminos demostró su vocación de servicio público y su capacidad técnica, aumentando, si cabe, su prestigio ante la opinión pública. Sin embargo, los riesgos tomados fueron excesivos.

Se trató de un acto de coraje personal y técnico, donde en un instante determinado, de forma espontánea, se juntaron en el momento y lugar preciso, un grupo de personas que, dejando atrás cualquier tipo de consideración, de forma voluntaria, asumiendo una responsabilidad por encima de lo exigible y jugándose el prestigio profesional propio y de toda la profesión, fueron capaces de acometer un trabajo descomunal, de elevadísima complejidad técnica y con una presión brutal por parte de los medios de comunicación y de la opinión pública en general. No era para menos, se trataba de salvar contrarreloj la vida de un niño de apenas dos años. Todos, desde el primer momento asumieron el problema como propio, Julen era el hijo de cada uno de ellos y, a través de la televisión, de cada uno de nosotros.

Fotografía con Ángel García Vidal, en la Escuela de Ingeniería de Caminos de Valencia

Por otra parte, yo conocía a través de las redes sociales a Ángel García, delegado del Colegio de Ingenieros de Caminos en Málaga, antes incluso de que ocurrieran los hechos de Totalán. Persona afable, cariñosa con los suyos, muy de su tierra. Pero el martes tuve la ocasión de conocer personalmente tanto a Ángel como a Mauricio. Todo lo bueno que pensaba sobre ellos se multiplicó y agrandó con el trato directo. Es difícil encontrar a personas con un grado de humanidad, de entrega y de profesionalidad tan grande. Con el permiso de ellos, creo que se creó una amistad que va a durar eternamente. Al tiempo.

Pero justo aquí está el meollo del problema sobre el que quiero reflexionar: en este caso particular, único en el mundo por su complejidad, se tuvo la suerte de juntar en un momento determinado a un conjunto muy especial de técnicos (no solo nuestros compañeros ingenieros, sino todo el operativo que trabajó en el rescate) que, muy difícilmente se podría repetir en otro caso parecido. Que unas personas como Ángel, Mauricio y el resto del equipo dejaran todo, se pusieran en la boca del lobo, asumieran la tremenda responsabilidad de resolver un problema de esta magnitud y tuvieran el temple necesario para tomar las decisiones adecuadas en cada momento, fue una gran suerte para todos. Pero eso, justamente, no puede ser en un Estado moderno como España. Se pudo llegar a rescatar (desgraciadamente ya sin vida) el cuerpo del niño, pero las probabilidades de fracaso y de accidentes y pérdidas humanas durante el rescate fueron, desde mi punto de vista, demasiado altas.

Analicemos con mayor detalle el problema desde la distancia en el tiempo y la independencia que supone no haber participado directamente en este problema. Vemos con una frecuencia cada vez mayor en los medios de comunicación cómo ocurren hechos de gravedad extraordinaria (inundaciones, crisis alimentarias, epidemias, accidentes, incendios, terremotos, atentados, etc.). Incluso este tipo de incidentes superan la ficción: Argameddon es una película donde se acomete un problema cuya posibilidad de ocurrencia no es nula, que es el impacto de un meteorito destructivo en nuestro planeta; Chernobyl no solo ha sido una serie de éxito, sino también una realidad que pone de manifiesto la posibilidad real de accidentes de gran impacto. Para el lector inquieto, recomiendo la lectura de la teoría del cisne negro, de Nassim Taleb.

Una crisis de este tipo presenta una serie de características que alejan su resolución de los casos habituales a los que nos enfrentamos los técnicos todos los días, por difíciles que éstos sean. Se puede caracterizar este tipo de crisis, sin pretender se exhaustivos, por lo siguiente:

  • El tiempo para resolver la crisis es extremadamente limitado, pues hay vidas en juego.
  • A veces se pueden perder más vidas en la resolución del problema que en la propia crisis.
  • La crisis aparece en cualquier parte, por lo que los medios físicos y humanos para resolverla pueden no existir o tardar en llegar.
  • La resolución técnica del problema es compleja, pues no se tienen todos los datos necesarios para tomar decisiones y tampoco hay tiempo para obtenerlos.
  • Es necesaria la participación de distintos tipos de profesionales, a los que se les debería exigir una gran competencia y experiencia en su campo.
  • Se deben tomar decisiones rápidamente, estando éstas sujetas a un elevado grado de incertidumbre, asumiéndose riesgos que, en otras circunstancias serían inaceptables. Se trabaja con coeficientes de seguridad inferiores a los normales.
  • Es difícil coordinar una crisis si no existe una jerarquía clara en el mando de la operación y en la toma de decisiones.
  • Los factores psicológicos pesan sobre los responsables, sobre los que cae toda la gravedad de la toma de decisiones y sobre los que se ejerce una presión insoportable. Suelen acabar con estrés postraumático.
  • Suele existir una presión muy importante que, incluso, suele terminar en un espectáculo mediático debido al gran interés social despertado.
  • La comunicación con los medios de comunicación es clave en la crisis. Es necesaria la transparencia, la prudencia y la veracidad de lo que se comunique.

Seguramente me he dejado cosas, pero lo anterior ya supone un reto de gran magnitud. ¿Qué se debería hacer, por tanto, para aumentar la probabilidad en la resolución del éxito de una crisis? Pues de la lectura de las anteriores características de una crisis, se podrían dar algunas recomendaciones:

  • Se debe trabajar en protocolos de actuación que reduzcan drásticamente las incertidumbres en la toma de decisiones en caso de crisis.
  • El Estado debe asumir la responsabilidad, desde el primer momento, del mando, coordinación y resolución del problema. No se puede delegar en la buena voluntad de unas personas, por magníficas que sean, el peso de la responsabilidad y las consecuencias que pudieran ocurrir en el caso de accidentes, muertes, etc. Pueden existir responsabilidades civiles o penales.
  • Se debe inventariar un conjunto de máquinas especiales y medios técnicos considerados “estratégicos” en la resolución de este tipo de crisis. Deben estar geolocalizados, siempre en disposición de ser utilizados en caso de emergencia y con acuerdos previos sobre este tipo de situaciones con las empresas correspondientes. No se puede delegar el uso de maquinaria estratégica a la buena voluntad de las empresas.
  • Se debe realizar un listado de expertos en temas especiales que, si fuera necesario, fuesen requeridos y puestos a disposición inmediata de las autoridades. El trabajo de estos expertos sería, siempre, de asesoría, pero no de toma de decisiones, que corresponde a la Autoridad del Estado. Igual está mal empleada la palabra, pero se “militarizaría” a este personal mientras durase la crisis. Estaría sometido a la jerarquía de la autoridad y su actuación y responsabilidad por su actuación quedaría respaldada por el Estado.
  • Tanto los recursos técnicos como humanos necesarios podrían provenir de otros países. Se requeriría una estrategia conjunta de emergencias a nivel europeo o incluso de mayor nivel para casos muy excepcionales.
  • Se debe incluir, dentro de la Unidad Militar de Emergencias, o del cuerpo que así se considere oportuno, ingenieros y técnicos de todo tipo expertos en diversos campos, con una formación técnica muy sólida y con formación específica en la resolución de crisis.
  • Es necesario un procedimiento administrativo “de especial urgencia” que, de forma especialmente rápida, se resuelva la contratación inmediata de medios o empresas, con las cautelas necesarias, pero sin que suponga un entorpecimiento de la resolución de la crisis.
  • Resulta clave en la resolución de la crisis y en el impacto sobre la opinión pública, una comunicación directa, transparente, profesional, prudente y veraz de lo que está ocurriendo en cada momento. Esta competencia es difícil y debe aprenderse.

Pero este artículo no estaría completo si no conociéramos, de primera mano, lo que opinan tanto Ángel como Mauricio de este tema. Básicamente coincide con lo que yo he expuesto anteriormente, aunque su opinión es de primera mano, y por tanto, más valiosa que la mía. Os voy a transcribir la última transparencia de la conferencia que me ha pasado Ángel para este artículo, donde se expresan las conclusiones. Yo les llamaría “lecciones aprendidas”. Es oro en estado puro.

Seguramente me he dejado muchas cosas, pero creo que algo hay que hacer. Incluso en las conversaciones mantenidas con Ángel y Mauricio se habló de implicar a las universidades en la realización de algún máster o curso de especialización sobre este tipo de materias.

Os dejo el enlace a la noticia aparecida en nuestra universidad sobre la conferencia y un vídeo donde se da la noticia. Espero que os guste.

http://www.upv.es/noticias-upv/noticia-11441-rescate-en-tot-es.html

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Voladura en una cantera de áridos

http://mti-minas-valencia.blogspot.com.es/

A continuación os dejo un vídeo de Georock S.L.  donde se explica la voladura en una cantera de áridos en San Fulgencio (Alicante). Una vez visionado, será fácil responder a las siguientes preguntas:

          1. ¿Qué tipo de material se extrae en esta cantera?
          2. ¿Qué altura de banco tiene esta cantera?
          3. ¿Qué dos tipos de explosivo se usan?
          4. ¿Qué separación existe entre los taladros?, ¿qué diámetro tienen?
          5. ¿Qué consumo de explosivo se necesita?
          6. ¿Cuál es la velocidad de detonación en este caso?

En este otro vídeo podéis ver el efecto de los microrretardos:

Referencias:

MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.

Evaluación aproximada de caudales de bombeo en excavación de solares

Figura 1. Vaciado de solar en recinto apantallado bajo nivel freático. https://www.obrasurbanas.es/pantallas-tablestacas-excavaciones/

Resulta muy habitual en edificación excavar sótanos que se encuentran bajo nivel freático. Esta excavación suele realizarse al abrigo de un recinto de muros o pantallas y se hace necesario drenar el agua que queda al fondo de la excavación. Para un estudio en detalle del flujo hidráulico en un medio poroso deberíamos acudir a la ecuación de Laplace y realizar la integración de este tipo de ecuación en derivadas parciales atendiendo a las condiciones de contorno. Sin embargo, vamos a dar aquí una solución aproximada que puede servir en obra para realizar una previsión de las bombas de achique necesarias o tomar decisiones tales como prolongar las pantallas lo suficiente como para empotrarlas en un sustrato impermeable. Como siempre, cada caso es particular y requiere de un estudio económico para ver la mejor opción.

Vamos a suponer que se va a excavar un solar, de dimensiones “a·b” en presencia de nivel freático en un terreno poroso con un coeficiente de permeabilidad “k“.  Las pantallas se encuentran empotradas una longitud “L“, el fondo de excavación se encuentra a una profundidad “H” respecto al nivel freático y existe un estrato impermeable a una distancia “h‘” respecto a la pantalla (ver Figura 2). Se pretende calcular el caudal de achique de forma que el agua no se encharque en el fondo de la excavación. Se supone que se ha realizado una evaluación previa para evitar el sifonamiento, el levantamiento de la excavación y el cálculo mecánico de las pantallas, entre otros aspectos.

Figura 2. Flujo de agua bajo un recinto apantallado

Para resolver el problema emplearemos la Ley de Darcy, que establece que la velocidad de un fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico. Multiplicando esa velocidad por la sección que atraviesa el flujo, tendremos la evaluación del caudal según la siguiente expresión, donde “Q” es el caudal, “k” es el coeficiente de permeabilidad”, “i” es el gradiente hidráulico y “S” es la sección atravesada por el flujo.

En el problema que nos ocupa, el caudal puede atravesar dos secciones, una lateral determinada por el estrato impermeable y el fondo de la pantalla “S1”, y la formada por el fondo de la excavación del solar “S2”. Calculemos en ambos casos el caudal. Es posible realizar una estimación aproximada considerando el flujo del agua próximo a la pantalla, puesto que es la línea de flujo más corta y la que supone un mayor gradiente crítico. En este caso, i=H/(H+2L).

Para la sección “S1″, el caudal “Q1″ tendrá el siguiente valor:

 

Análogamente, para la sección”S2″, el caudal “Q2″ tendrá el siguiente valor:

El caudal estimado será el menor ambas dos estimaciones: Q=min(Q1, Q2).

Igualando ambos caudales se puede determinar la distancia del sustrato impermeable al fondo de la pantalla a partir de la cual dicho sustrato no influye en la estimación del caudal:

En el caso de un solar cuadrado, si el sustrato impermeable se encuentra a una distancia superior a la cuarta parte del lado del solar, todo el flujo pasa por el fondo de la excavación.

A todo caso, de las expresiones anteriores se deduce que el caudal máximo que puede entrar en la excavación se da cuando el sustrato impermeable se encuentra a una distancia del fondo de la pantalla superior al cociente entre el área y el perímetro del recinto. Si la capa impermeable se encuentra más cerca, el caudal baja proporcionalmente hasta anularse teóricamente cuando llega a tocar a la pantalla.

Referencias:

PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat. Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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El efecto Renard, o por qué un suelo parece que entra en ebullición: Sifonamiento

Figura 1. Arenas movedizas. https://churbuck.com/category/clamming/page/2/

Cuando existe un flujo ascendente de agua en un terreno, la corriente circula en sentido contrario al peso del terreno. Este empuje puede ser tan algo que supere al peso del terreno, con lo cual tenemos la impresión que el terreno se ha licuado y se comporta como un líquido en ebullición. Este efecto, muy estudiado en cualquier libro de geotecnia, tiene lugar cuando las tensiones efectivas se anulan. Se produce el fenómeno del sifonamiento o licuefacción, también llamado “efecto Renard”. En este caso, una arena, por ejemplo, pierde su consistencia y parece que entre en ebullición. Esto se debe a que un suelo sin cohesión pierte completamente su resistencia al corte y pasa a comportarse como un fluido.

Resulta sencillo demostrar que este fenómeno ocurre cuando se alcanza un gradiente crítico, cuyo valor es el cociente entre el peso específico sumergido del suelo y el peso específico del agua. Este valor se aproxima en muchos casos a la unidad. Cualquier objeto que se sitúe sobre un terreno con licuefacción que tenga un peso específico superior al del la mezcla fluida de terreno y agua, se hundirá; esto es especialmente importante si tenemos maquinaria dentro de la excavación o existen cimentación que se apoye en esa zona. Se trata del conocido fenómeno de las arenas movedizas.

Este problema es importante cuando tenemos que excavar bajo nivel freático una profundidad “h” (ver Figura 2). Una forma de solucionar evitar el sifonamiento consiste en utilizar tablestacas o ataguías que tengan una longitud de empotramiento “x” suficiente. En este caso, la línea de filtración más corta del agua tiene una longitud igual a h+2x.

Figura 2. Longitud de empotramiento para evitar el sifonamiento

Supongamos que nos dan como datos el peso específico de las partículas sólidas de un suelo “γs ” y su porosidad “n”. El peso específico del agua es  “γw“. Vamos a considerar un coeficiente de seguridad  “η”. Como el gradiente es h/(h+2H), se puede comparar con el gradiente crítico dividido por su coeficiente de seguridad. De este modo, es fácil demostrar que la longitud de empotramiento es:

En la Figura 3 se representa la evolución del empotramiento en función de la profundidad de la excavación bajo nivel freático y de la porosidad del suelo. Se ha supuesto γs = 2,65 t/m3   y un coeficiente de seguridad η = 3. Es fácil comprobar la relación lineal entre el empotramiento y la altura del nivel freático sobre la excavación. Además, cuanto más poros presenta el terreno, más empotramiento es necesario.

Figura 3. Profundidad de empotramiento de una tablestaca para evitar el sifonamiento

Respecto al coeficiente de seguridad frente al sifonamiento, el Código Técnico de la Edificación (CTE), en su Documento Básico SE-C Cimientos, se indica que, en el caso de las pantallas, el coeficiente de seguridad será η = 2.

Nota muy importante: una cosa es la profundidad mínima de empotramiento para evitar el sifonamiento y otra bien diferente es calcular el empotramiento necesario de una tablestaca para soportar los esfuerzos de empuje a los que está sometido. Por tanto, el empotramiento real será el mayor de los dos valores. Se recomienda siempre efectuar con detalle los cálculos geotécnicos y estructurales necesarios. Y sobre todo, utilizar el sentido común.

Referencias:

  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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