El problema del agua en las excavaciones

Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/pantallas-tablestacas-excavaciones/

El flujo superficial y subterráneo del agua, así como los cambios en el nivel freático de un terreno, por causas naturales o artificiales, provocan consecuencias tanto en el terreno propio como en los colindantes. En el caso de una excavación que intercepte la capa freática va a suponer problemas tanto para la propia excavación, y posterior ejecución de las obras en el recinto, como en los terrenos y estructuras colindantes.

Los problemas del agua como factor desestabilizante se pueden resolver si se mantiene el agua lejos de las zonas donde puede causar daño o bien se controla el agua que entra mediante drenajes. Si no se controla la infiltración, entonces el agua puede hacer migrar las partículas finas del suelo hacia una salida, ocasionando sifonamientos o roturas por erosión, o bien se incrementa la saturación, la corriente interna, o se dan excesivas subpresiones o fuerzas de infiltración.

Un caso muy habitual de lo anterior ocurre cuando se realizan perforaciones bajo nivel freático para ejecutar anclajes (por ejemplo en muros pantalla) o bien en inyecciones (impermeabilización de presas y túneles, inyecciones de compensación, etc.). En estos casos, la salida de agua por la perforación puede provocar arrastre de finos o salidas abruptas de agua, fenómeno conocido como “taponazo”.

En el caso de realizar excavaciones, los principales problemas geotécnicos asociados al agua que pueden aparecer son la subsidencia, la erosión superficial, la erosión interna o tubificación, la inestabilidad de taludes, la inestabilidad del fondo o sifonamiento y el levantamiento del fondo. Sin embargo, un buen conocimiento del suelo, de las condiciones del agua del terreno y de las leyes del flujo hidráulico permite adoptar sistemas de control del agua que garanticen una construcción económica y segura. A continuación se describen brevemente estos problemas.

  • Subsidencia: En el caso de un descenso del nivel freático, el postulado de Terzaghi nos indica que el aumento de las tensiones efectivas provocará asientos. Esta disminución puede ser debida a un bombeo, previo o no, a una excavación (Figura 2). Análogamente, un aumento en el freático puede provocar asientos en un suelo arcilloso si éste disminuye su consistencia, o bien en arenas al reducir su capacidad portante. El aumento, por ejemplo, puede deberse a una fuga de la red de agua potable, a un aumento repentino de aguas superficiales por lluvias o, como se ve en la Figura 3, a la ejecución de un muro pantalla. En este caso, las grietas pueden aparecer tanto por el debilitamiento del terreno durante la excavación como cuando el muro pantalla hace de barrera al agua. Asientos del orden de 1 mm/año no exigen tratamiento de urgencia, pero si son del orden de 1 mm/mes, implican un riesgo notable. Asientos de 1 mm/año pueden provocar daños ligeros en la tabiquería, que son notables, dependiendo si el proceso se estabiliza o no, cuando son de 1 mm/mes y que llegan a graves si el asiento es de 2 mm/mes.
Figura 2. Grietas en edificios colindantes por subsidencia provocada por bombeo. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
Figura 3. Grietas en edificios colindantes por modificación del nivel piezométrico debido a ejecución de muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
  • Deslizamiento de taludes: El flujo de agua en el talud de una excavación provocan su inestabilidad, especialmente por el aumento de cargas que supone (el terreno con mayor saturación pesa más) y por la disminución de la resistencia a corte (fácilmente se reduce el ángulo de rozamiento interno del terreno a la mitad). En efecto, el criterio de rotura de Mohr-Coulomb, indica que la resistencia al corte del terreno τen un determinado plano depende del sumatorio de la cohesión efectiva c‘  y del producto de la tensión efectiva normal σ’ (diferencia entre presión total e intersticial) por la tangente del ángulo de rozamiento interno efectivo Φ‘ . Dicho de otra forma, conseguir una excavación más estable en presencia de agua supone taludes más tendidos.

Este fenómeno se combina con la erosión, especialmente cuando la excavación corta dos estratos, siendo el inferior impermeable en comparación con el superior, lo que provoca un flujo de agua entre capas que puede provocar fenómenos de erosión tanto superficial como interna (Figura 4). Se podría solucionar el problema con taludes de excavación más tendidos o bien con una barrera (tablestacado, muro pantalla, entre otros).

 

Figura 4. Peligro de deslizamiento y erosión regresiva en estrato impermeable
  • Erosión superficial: Cuando el agua aflora en los taludes de una excavación provoca cárcavas por arrastre del terreno que comprometen su estabilidad y por otra parte debilita las bermas construidas en taludes altos (Figura 5). La solución consiste en proteger la coronación y las bermas de los taludes con cunetas impermeables o drenes que reciban el agua y la conduzcan a puntos de recogida y bombeo, especialmente cuando el talud va a ser permanente. Este fenómeno erosivo también ocurre cuando la superficie freática no baja lo suficiente e intersecta la cara del talud.
Figura 5.  Erosión superficial del talud, con cunetas sin revestir o protegidas y revestidas
  • Erosión interna o tubificación (piping): El agua arrastra una partícula entre los huecos de un suelo dependiendo de la relación entre los tamaños de las partículas y los huecos y del gradiente hidráulico (Figura 6). El flujo arrastra las partículas por las líneas de corriente por el interior de la masa del terreno formándose un hueco tubular. Como el terreno es heterogéneo, si en un punto el flujo alcanza mayor velocidad, se produce un primer arrastre de partículas. Ello provoca un aumento del gradiente hidráulico y una progresión en la erosión al formarse un tubo donde el régimen es turbulento. Este fenómeno es propicio en suelos dispersables. Para evitarlo se emplean filtros graduados o bien geotextiles para evitar arrastres y medidas que reduzcan el gradiente hidráulico. Este efecto puede darse en el caso de presas de materiales sueltos, pero también podría aparecer, por ejemplo, en el flujo de agua provocado por un pozo de drenaje en una edificación contigua o en una ejecución inadecuada de los anclajes de un muro pantalla.
Figura 6. Tubificación en el interior de una presa de materiales sueltos
  • Inestabilidad del fondo o sifonamiento: Cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia a corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en pantallas con un empotramiento reducido (Figura 7). A veces podrían provocarse sifonamientos localizados, como en el caso de un defecto puntual en un muro pantalla, pues se acorta el recorrido del flujo y aumenta el gradiente (Figura 8).
Figura 7. Sifonamiento en la base de un recinto protegido con muros pantalla
Figura 8. Sifonamiento localizado por defecto puntual en muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
  • Levantamiento de fondo o taponazo (uplift): El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua (Figura 9). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.
Figura 9. Rotura de fondo o tapozano

Además de los riesgos anteriores, no se debería olvidar que existen otros posibles riesgos difíciles de prever que pueden aparecer durante la ejecución de una excavación. Dentro de este capítulo se podrían citar incidencias derivadas de surgencias de una excavación ya drenada, filtraciones laterales en muros pantalla o tablestacas. En estos casos debe analizarse de inmediato las posibles consecuencias del fallo y aplicar, en su caso, las medidas correctoras oportunas. Aquí cobra especial importancia la experiencia adquirida en casos anteriores con el fin de garantizar la estabilidad de la propia obra y de las propiedades colindantes. Por último, y no menos importante, conviene recordar que el agua es el enemigo de los rendimientos de todos los tajos en una obra.

Os dejo algunos vídeos explicativos sobre aspectos que hemos comentado en el artículo. Espero que os sean de interés.

Otro vídeo de interés es éste que os dejo. En él vemos qué pasa cuando se ejecutan anclajes bajo el nivel freático.

REFERENCIAS:

  • 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.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • 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 bombeos superficiales y sumideros

Figura 1. Sumidero para bombeo superficial. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

Un sumidero o pozo abierto (sump pit) es un foso en el que el agua se acumula antes de ser evacuada mediante un bombeo superficial (sump pumping). El sumidero se encuentra a un nivel más bajo que el terreno circundante para que el agua fluya a él por gravedad. Con estos bombeos no se provoca un descenso de la capa freática tal que permita la excavación en seco, sino que provoca la escorrentía del agua hasta alcanzar los sumideros. El agua bombeada se evacua hacia un canal de desagüe o a una conducción de drenaje. Debe eliminarse en la medida de lo posible la arena en suspensión, pues no solo ensucia las conducciones, sino que dificulta la circulación del agua.

El bombeo superficial recibe también el nombre de agotamiento ordinario. Se trata del sistema más sencillo de drenaje, económico y muy efectivo para abatimientos pequeños del nivel freático. El diseño y montaje de los bombeos superficiales se limita a preparar puntos o zanjas drenantes que concentren y faciliten el flujo del agua. Sin embargo, es su menor impacto económico el que hace que se extrapole su uso a situaciones inapropiadas, con resultados desfavorables, demoras de plazo, accidentes y posibles daños.

En efecto, la ejecución del sumidero no es aplicable en suelos granulares, puesto que su estabilidad es prácticamente nula y de riesgo alto una vez se atraviesa la capa freática, por lo que con los medios básicos y usuales a pie de obra, no es posible su implantación. Por eso solo se plantea el sistema con descensos muy pequeños del nivel freático, en el entorno de 2 m en suelos de moderada estabilidad.

Con excavaciones de alturas algo mayores, se requiere cierta cohesión del terreno para ejecutar taludes estables dentro de la parcela a vaciar. Por tanto, el bombeo abierto desde el fondo de la excavación no podrá ser utilizado en arenas, limos, arcillas limosas, o en cualquier situación en la que el agua pueda producir sifonamiento, levantamiento del fondo o inestabilidad de los taludes de la excavación.

Además, también pueden provocar problemas de desestabilización debido a la pérdida de finos del terreno circundante, así como a la elevación de las presiones efectivas y los consiguientes movimientos y asientos del terreno contiguo. Asimismo, el agua evacuada puede presentar una elevada carga de sedimentos que pueden provocar problemas medioambientales en el punto de vertido. Se pueden reducir los arrastres de finos minimizando la velocidad del flujo y colocando filtros y depósitos de decantación (areneros) a lo largo de la red de drenaje, en su caso. El arrastre de finos provocado por los agotamientos, puede también reducirse por medio de drenes de material filtrante colocados al pie de los taludes de la excavación.

Figura 2. Esquema de sumidero y bomba de achique para pequeñas excavaciones, basado en Powers (1992).

Los sumideros se plantean distribuidos a lo largo del perímetro de la excavación. Son excavaciones puntuales, de profundidades inferiores a unos 4 m, donde se dispone un árido que actúe de filtro y de una tubería metálica ranurada, de unos 450 mm, que permite alojar equipos de bombeo sumergibles de achique, de potencias de hasta 15 CV, capaces de elevar en torno a 40 l/s. Los áridos del prefiltro tienen un tamaño próximo a 15 mm y el ranurado del tubo, en el entorno de paso de 8 mm. El sumidero se debe profundizar a medida que progresa la excavación. Una vez alcanzada la profundidad definitiva debe recubrirse la solera con grava si el terreno es de grano fino y se prevé una larga utilización para evitar la posible succión de arenas.

Las bombas más utilizadas son las de membrana y las centrífugas. Estas bombas, que trabajan con rendimientos del 60-80 %, deben tener potencia suficiente para aspirar e impulsar con cierto margen, el caudal de agua mezclada de arenas y limos. Si la profundidad de la excavación supera la altura práctica de aspiración de la bomba (unos 5 m), la bomba debe quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático. En este caso es mejor utilizar bombas sumergibles, con lo cual ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la impulsión solo depende de la potencia del motor.

Figura 3. Aspecto del sumidero una vez colocado el material filtrante alrededor del tubo ranurado. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

La limpieza y el mantenimiento de los sumideros son tareas continuas. El sedimento se acumula en la parte superior de la grava y debe ser removido periódicamente, especialmente después de las lluvias. Si el sedimento se introduce en la grava que sirve de filtro, obstruyéndola, se debe reemplazar con grava limpia.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

En este vídeo, cortesía de FERRER, S.L., se puede observar este sistema de bombeo superficial.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • 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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Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Curso en línea de “Procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de ingeniería civil y edificación”

La Universitat Politècnica de València, en colaboración con la empresa Ingeoexpert, ha elaborado un Curso online sobre “Procedimientos de Construcción de cimentaciones y estructuras de contención y control del agua subterránea en obra civil y edificación”. El curso, totalmente en línea, se desarrollará en 6 semanas, con un contenido de 75 horas de dedicación del estudiante. Empieza el 23 de marzo de 2020 y termina el 4 de mayo de 2020. Hay plazas limitadas.

Toda la información la puedes encontrar en esta página: https://ingeoexpert.com/cursos/curso-de-procedimientos-de-contencion-y-control-del-agua-subterranea-en-obras/?fbclid=IwAR0d1Ga2q6tuY_AfplyREj4TIOjMztLSRsy6aykXT-X4X903Mc8ERBw6TyY

Os paso un vídeo explicativo y os doy algo de información tras el vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=Z1mkod8SPns

Este es un curso básico de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras civiles y de edificación. Se trata de un curso que no requiere conocimientos previos especiales y está diseñado para que sea útil a un amplio abanico de profesionales con o sin experiencia, estudiantes de cualquier rama de la construcción, ya sea universitaria o de formación profesional. Además, el aprendizaje se ha escalonado de modo que el estudiante puede profundizar en aquellos aspectos que más les sea de interés mediante documentación complementaria y enlaces de internet a vídeos, catálogos, etc.

En este curso aprenderás las distintas tipologías y aplicabilidad de los procedimientos de contención y control del agua utilizados en obras de ingeniería civil y de edificación. El curso índice especialmente en la comprensión de los procedimientos constructivos y la maquinaria específica necesaria para la ejecución de los distintos tipos de sistemas de control del agua (ataguías, pantallas, escudos, drenajes superficiales, bombeos profundos, congelación del suelo, electroósmosis, inyecciones, etc.). Es un curso de espectro amplio que incide especialmente en el conocimiento de la maquinaria y procesos constructivos, y por tanto, resulta de especial interés desarrollar el pensamiento crítico del estudiante en relación con la selección de las mejores soluciones constructivas para un problema determinado. El curso trata llenar el hueco que deja la bibliografía habitual donde los aspectos de proyecto, geotecnia, hidrogeología, estructuras, etc., oscurecen los aspectos puramente constructivos. Además, está diseñado para que el estudiante pueda ampliar por sí mismo la profundidad de los conocimientos adquiridos en función de su experiencia previa o sus objetivos personales o de empresa.

El contenido del curso está organizado en 50 lecciones, que constituyen cada una de ellas una secuencia de aprendizaje completa. La dedicación aproximada para cada lección se estima en 1-2 horas, en función del interés del estudiante para ampliar los temas con el material adicional. Además, al finalizar cada Lección didáctica, el estudiante afronta una batería de preguntas cuyo objetivo fundamental es afianzar los conceptos básicos y provocar la duda o el interés por aspectos determinados del tema abordado. Al final se han diseñado tres unidades adicionales cuyo objetivo fundamental consiste en afianzar los conocimientos adquiridos a través del desarrollo de casos prácticos, donde lo importante es desarrollar el espíritu crítico y la argumentación a la hora de decidir la conveniencia de un procedimiento de control del agua u otro. Por último, al finalizar el curso se realiza una batería de preguntas tipo test cuyo objetivo es conocer el aprovechamiento del curso, además de servir como herramienta de aprendizaje.

El curso está programado para una dedicación de 75 horas de dedicación por parte del estudiante. Se pretende un ritmo moderado, con una dedicación semanal en torno a las 10-15 horas, dependiendo de la profundidad de aprendizaje requerida por el estudiante, con una duración total de 6 semanas de aprendizaje.

Éste curso único impartido Víctor Yepes, Catedrático de Universidad en el área de ingeniería de la construcción en la Universitat Politècnica de València, se presenta mediante contenidos multimedia interactivos y de alta calidad dentro de la plataforma virtual Moodle, combinado con la realización de ejercicios prácticos. Así mismo, se realizarán clases en directo mediante videoconferencias, que podrán ser vistas en diferido en caso de no poder estar presente en las mismas.

Objetivos

Al finalizar el curso, los objetivos de aprendizaje básicos son los siguientes:

  1. Comprender la utilidad y las limitaciones de los procedimientos de contención y control del agua en obras de ingeniería civil y de edificación
  2. Evaluar y seleccionar el mejor tipo de procedimiento necesario para una construcción con problemas de agua en unas condiciones determinadas, considerando la economía, la seguridad y los aspectos medioambientales

Programa

  • – Lección 1. Conceptos básicos del agua en medio poroso
  • – Lección 2. El problema del agua en las excavaciones
  • – Lección 3. La magia de las tensiones efectivas en geotecnia
  • – Lección 4. El sifonamiento en las excavaciones: el efecto Renard
  • – Lección 5. Clasificación de las técnicas de control del agua en excavaciones
  • – Lección 6. Selección del sistema de control del nivel freático
  • – Lección 7. Drenaje de excavaciones mediante bombeos superficiales y sumideros
  • – Lección 8. Drenaje de excavaciones mediante zanjas perimetrales
  • – Lección 9. Descenso del nivel freático por bombeo: fórmula de Dupuit-Thiem
  • – Lección 10. Cálculo de un agotamiento mediante pozos
  • – Lección 11. Tipología de las estaciones de bombeo
  • – Lección 12. Altura neta positiva de aspiración de una bomba
  • – Lección 13. Bombas empleadas en el control del nivel freático de una excavación
  • – Lección 14. Procedimientos constructivos de pozos profundos para drenaje
  • – Lección 15. Drenaje en excavaciones sobre acuíferos confinados: pozos de alivio
  • – Lección 16. Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos filtrantes
  • – Lección 17. Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos eyectores
  • – Lección 18. Drenajes horizontales instalados mediante zanjadoras
  • – Lección 19. Pozos horizontales ejecutados mediante perforación horizontal dirigida
  • – Lección 20. Drenes de penetración transversal: drenes californianos
  • – Lección 21. Control del nivel freático mediante lanzas de drenaje (wellpoints)
  • – Lección 22. Drenaje horizontal con pozos radiales
  • – Lección 23. Galerías de drenaje en el control del nivel freático
  • – Lección 24. Electroósmosis como técnica de drenaje del terreno
  • – Lección 25. Procedimientos para la contención del agua
  • – Lección 26. Evaluación aproximada de caudales de bombeo en excavación de solares
  • – Lección 27. Contención de aguas mediante ataguías en excavaciones
  • – Lección 28. Contención del agua mediante ataguías de tierras y escollera
  • – Lección 29. Contención del agua mediante tablestacas
  • – Lección 30. Contención del agua mediante ataguías celulares
  • – Lección 31. Contención del agua mediante cajones indios
  • – Lección 32. Contención del agua mediante cajones de aire comprimido
  • – Lección 33. Contención del agua mediante muros pantalla
  • – Lección 34. Contención del agua mediante pantallas de pilotes secantes
  • – Lección 35. Contención del agua mediante pantallas plásticas de bentonita-cemento
  • – Lección 36. Contención del agua mediante pantallas de suelo-bentonita
  • – Lección 37. Contención del agua mediante pantallas de suelo-cemento con hidrofresa
  • – Lección 38. Contención del agua mediante pantallas de lodo autoendurecible armado
  • – Lección 39. Contención del agua mediante pantallas realizadas por mezcla profunda de suelos
  • – Lección 40. Contención del agua mediante pantallas delgadas de lodo ejecutadas mediante vibración de perfiles
  • – Lección 41. Contención del agua mediante pantallas de geomembranas
  • – Lección 42. Contención del agua mediante inyección del terreno
  • – Lección 43. Contención del agua mediante inyección de lechadas de cemento
  • – Lección 44. Contención del agua mediante inyección de lechadas de arcilla
  • – Lección 45. Contención del agua mediante inyección de lechadas químicas
  • – Lección 46. Contención del agua mediante inyecciones de alta presión: jet-grouting
  • – Lección 47. Contención del agua mediante congelación de suelos
  • – Lección 48. Contención del agua mediante escudos presurizados con aire comprimido
  • – Lección 49. Contención del agua mediante escudos presurizados con lodos
  • – Lección 50. Contención del agua mediante escudos de presión de tierras
  • – Supuesto práctico 1.
  • – Supuesto práctico 2.
  • – Supuesto práctico 3.
  • – Batería de preguntas final

Profesorado

Víctor Yepes Piqueras

Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Universitat Politècnica de València

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (1982-1988). Número 1 de promoción (Sobresaliente Matrícula de Honor). Especialista Universitario en Gestión y Control de la Calidad (2000). Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Sobresaliente “cum laude”. Catedrático de Universidad en el área de ingeniería de la construcción en la Universitat Politècnica de València y profesor, entre otras, de las asignaturas de Procedimientos de Construcción en los grados de ingeniería civil y de obras públicas. Su experiencia profesional se ha desarrollado fundamentalmente en Dragados y Construcciones S.A. (1989-1992) como jefe de obra y en la Generalitat Valenciana como Director de Área de Infraestructuras e I+D+i (1992-2008). Ha sido Director Académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (2008-2017), obteniendo durante su dirección la acreditación EUR-ACE para el título. Profesor Visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Investigador Principal en 5 proyectos de investigación competitivos. Ha publicado más de 87 artículos en revistas indexadas en el JCR. Autor de 8 libros, 22 apuntes docentes y más de 250 comunicaciones a congresos. Ha dirigido 14 tesis doctorales, con 4 más en marcha. Sus líneas de investigación actuales son las siguientes: (1) optimización sostenible multiobjetivo y análisis del ciclo de vida de estructuras de hormigón, (2) toma de decisiones y evaluación multicriterio de la sostenibilidad social de las infraestructuras y (3) innovación y competitividad de empresas constructoras en sus procesos. Tiene experiencia contrastada en cursos a distancia, destacando el curso MOOC denominado “Introducción a los encofrados y las cimbras en obra civil y edificación”, curso que ya ha tenido cuatro ediciones. También destaca el curso sobre “Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención en obra civil y edificación”, que ya va por su segunda edición.

Clasificación de las técnicas de control del agua en excavaciones

Figura 1. 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.

Las aguas interfieren el desarrollo de los trabajos, por lo que hay que evitar que lleguen a los tajos mediante captaciones locales, ataguía, canaletas, drenajes, etc., evacuándolas por gravedad, y reduciendo el bombeo a lo estrictamente necesario.

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. No obstante, y en términos estrictos, el “control del nivel freático” (dewatering) solo se debería aplicar a acuíferos libres formados por suelos de grano grueso. En acuíferos libres de grano fino o en acuíferos confinados deberíamos hablar de “control de la presión intersticial” (pore water pressure).

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, muy utilizados en la construcción de túneles mediante escudos presurizados.

Se podrían resumir las clasificaciones anteriores en la propuesta de la Figura 3. En esta clasificación, la contención del agua se realiza mediante barreras físicas como ataguías o pantallas, o bien mediante métodos de exclusión; mientras que el drenaje se puede realizar antes o durante la excavación, diferenciando de esta forma el agotamiento del rebajamiento del nivel freático.

Figura 3. Clasificación de las técnicas de control del agua. Elaboración propia.

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 que se filtra al recinto de la excavación conduciéndola a una zanja o un sumidero, donde se bombea. Las filtraciones se controlan y evacúan durante la excavación, sin depresión previa del freático.
  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.

El procedimiento a utilizar depende de los caudales a bombear, que a su vez dependen de la importancia de los acuíferos y del coeficiente de permeabilidad del terreno. 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.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

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.

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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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Contención de agua mediante pantallas de suelo-bentonita

Figura 1. Construcción de una pantalla de suelo-bentonita.  https://www.geo-solutions.com/services/slurry-walls/soil-cement-bentonite/

Las pantallas de suelo-bentonita son barreras muy utilizadas para impedir el paso del agua o para aislar un residuo o zona contaminada del agua subterránea. La construcción de estas trincheras o zanjas de lodo, que usan el suelo-bentonita como material de relleno, se empezaron a utilizar en Estados Unidos en 1945, siendo una técnica mucho más utilizada que en Europa, donde predomina la bentonita-cemento.

Durante la excavación se utiliza bentonita para contener las paredes de la excavación, aunque a veces también se utilizan aditivos. La bentonita se agrega para mantener un nivel constate de lechada cerca de la parte superior de la zanja y asegurar su estabilidad. La zanja presenta una anchura que oscila entre 0,6 y 1,5 m, anchura que se calcula para que el gradiente hidráulico no sea excesivo, normalmente entre 10 y 30. Una vez se alcanza la profundidad deseada, se introduce la mezcla final de suelo y bentonita. El peso específico de la mezcla, entre 12,6 y 13,1 kN/m3, debe ser mayor que el del lodo de la zanja, para poder desplazarla. La experiencia indica que el desplazamiento ocurrirá si el lodo tiene un peso específico 2,4 kN/m3 menor que el del material de relleno.

Si se quiere una mezcla suelo-bentonita de calidad, ésta se debe elaborar en unos tanques de homogeneización, en un estado semifluido, de forma que se tenga la suficiente fluidez para desplazar al lodo de la zanja. Las pendientes de la zanja por las que fluye la mezcla varían entre 1:5 a 1:10 (Figura 2). Estos tanques requieren de un espacio suficiente para su instalación. No obstante, también es posible realizar la mezcla de una forma más grosera con un buldócer en superficie. En este último caso, el material de relleno se prepara regando el suelo con lodo y mezclando y batiendo hasta que la mezcla sea homogénea y alcance la consistencia adecuada. Este material se empuja en la zanja donde el relleno ya colocado aparece en la superficie de la zanja; de esta forma se evita la segregación causada por la caída libre a través del lodo. Se deben tomar medidas cuidadosas en la parte superior del relleno y en la parte inferior de la zanja para asegurar que el frente del relleno no invada la excavación o para que el material excavado no se mezcle con el relleno y como consecuencia queden bolsas sin mezclar.

Figura 2. Construcción de zanja de lodo con suelo-bentonita como material de relleno. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Este procedimiento requiere que el terreno sea relativamente estable para evitar cortes de la pantalla. La ventaja es que se puede trabajar incluso con un nivel freático alto, si bien la bentonita debe permanecer entre 1 y 2 m por encima de dicho nivel para garantizar la estabilidad de la excavación. En casos de que el freático se encuentre más superficial, deberá realizarse una plataforma de trabajo.

Con retroexcavadoras convencionales, se podría llegar a una profundidad de 10 m, pero con brazos largos pueden llegar fácilmente a 25 m, aunque para profundidades mayores se utilizan cucharas bivalvas, hasta profundidades económicas de unos 30 m. En ocasiones también se han utilizado las dragalinas hasta los 25 m. Algo menos habitual es el uso de zanjadoras de brazo inclinado, útiles hasta unos 8 m de profundidad (Figura 3).

Figura 3. Zanjadora en la ejecución de una pantalla de suelo-bentonita. http://www.dewindonepasstrenching.com/slurry-walls-and-cement-bentonite-walls

El método de excavación no tiene tanta importancia como tener la seguridad de que la pantalla se extienda por todo el estrato permeable de forma continua. Por tanto, es importante succionar el sedimento del fondo de la zanja, especialmente si los sedimentos son arena y gravas limpias. Es una buena práctica tratar que la colocación del relleno y la excavación estén lo más cercanas posibles.

Entre las ventajas de las pantallas de suelo-bentonita cabe destacar que es la tipología de barrera más económica, pues en la mayoría de los casos se permite el uso de todo o gran parte del material excavado de la zanja; además, se trata de un procedimiento constructivo bien conocido y utilizado, con altos rendimientos. La permeabilidad de la pantalla suele ser del orden de 10-7 cm/s, pero puede bajar incluso a 5 x 10-9 cm/s. Sin embargo, hay que tener presente que el procedimiento necesita un área para la mezcla y puede generar material que debe llevarse a vertedero; además, la pantalla puede deteriorarse frente a ciclos prolongados de humedad/sequedad o de congelación/descongelación. Son barreras que solo se pueden utilizar en su configuración vertical y a veces resulta complicado conseguir la absoluta impermeabilidad. Por otra parte, la mezcla de suelo-bentonita se puede degradar por contaminantes o por la presencia de ácidos orgánicos e inorgánicos, aumentando la porosidad de la barrera. Además, las sales inorgánicas y algunos compuestos orgánicos pueden provocar la contracción de las partículas de la bentonita.

Os paso un par de vídeos para que podáis ver cómo se realiza este tipo de pantalla impermeable.

Os paso también un artículo donde se explica la construcción de una pantalla de suelo-bentonita de gran profundidad.

Descargar (PDF, 1.18MB)

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • 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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Procedimientos constructivos de pozos profundos para drenaje de excavaciones

Figura. commons.wikimedia.org (U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist Seaman Ernesto Hernandez Fonte/Released)

Las tecnologías de perforación se utilizan en la construcción y la minería para una amplia gama de operaciones: sondeos de reconocimiento, ejecución de pilotes de desplazamiento, barrenado para explosivos y ejecución de pozos. Centrándose en la ejecución de pozos profundos cuya finalidad sea el control del nivel freático de una excavación, las técnicas empleadas son muy variadas.

La elección de la técnica más adecuada de perforación dependerá de la dureza y abrasividad del terreno, de la estabilidad de la perforación, del sistema de extracción de los residuos y de la posible extracción de testigos. No existe una correspondencia biunívoca entre una única técnica de perforación eficiente en todos los suelos y terrenos.

Normalmente, la forma tradicional de perforar un pozo en una zona determinada suele ser la de mayor eficacia, pues la experiencia suele decantar el mejor procedimiento. Sin embargo, conviene estar atento a las innovaciones y desarrollo de nuevas tecnologías que pueden suponer importantes ahorros en casos determinados.

A continuación se resumen brevemente alguna de las técnicas empleadas en la perforación de pozos empleados en el control de agua en obras de ingeniería, remitiendo al lector a otros artículos publicado en este blog relacionados para ampliar información al respecto.

La mejor opción pasa por entender las características litológicas del terreno y las limitaciones de cada método de perforación (diámetro y profundidad de la perforación). A todo caso, siempre se debe distinguir el diámetro necesario de la electrobomba sumergible a colocar en el pozo, el diámetro de la tubería de revestimiento y el diámetro de la perforación.

 

  • Perforación con inyección: Se hinca una tubería de revestimiento inyectando agua a presión a través de una segunda tubería interior. Este sistema es el utilizado en las lanzas de drenaje (wellpoint). El agua recircula los residuos al exterior, dejando la tubería limpia.

 

  • Perforación rotativa con balde o cazo (bucket auger boring): Se perfora con un cazo cilíndrico, a una profundidad máxima de unos 30 m, en terrenos sedimentarios no consolidados o poco cementados. Se puede perforar a un diámetro mínimo de 450 mm, aunque puede llegar a 900 mm, aunque los pozos de drenaje requieren menores dimensiones.

 

  • Perforación a rotación: El arranque de las partículas se realiza mediante el giro de una herramienta de corte que se impulsa por un varillaje. Se utilizan fluidos de perforación para extraer el residuo generado por el tricono o trialeta situado en la punta de la sarta de perforación. Es una técnica efectiva en diámetros de hasta 450 mm. La perforación directa o convencional hace circular al fluido de perforación por el interior del varillaje, retornando a la superficie, junto con el detritus, por el anillo formado por el varillaje y la perforación. En la circulación inversa el fluido entra por el espacio anular y se eleva a la superficie por el interior del varillaje. En el caso de circulación inversa el diámetro habitual es de 600 mm o mayor. Estas técnicas de rotación no suelen utilizarse habitualmente para la ejecución de pozos para el control de aguas subterráneas por su coste. Además, hay que tener presente que los fluidos de perforación, especialmente en el caso de la circulación directa, reducen la permeabilidad en suelos ya de por sí poco permeables.

 

  • Perforación a percusión con cable: Se basa en el golpeteo con una pesada herramienta de corte (trépano) que se eleva con un cable y que cae por gravedad, fragmentando el suelo. Frente a otros sistemas de perforación, es más lento que otros métodos alternativos, pero sus diámetros de perforación habituales de 400 a 700 mm son una ventaja, en una amplia variedad de suelos. No utiliza lodos de perforación para la estabilización de los suelos granulares perforados, empleándose, si fuera necesario, tubos para la contención del suelo (es el caso de formaciones no coherentes, granulares o arcillosas). No suele ser utilizado para pozos de drenaje, excepto si se reutiliza el sondeo realizado por un ensayo de bombeo previo, que requiere mayores diámetros. Se utiliza el método principalmente en rocas compactas, friables y de dureza media, así como en formaciones fisuradas, donde las pérdidas de lodos de perforación sea excesiva. Como inconvenientes cabe destacar la interrupción de la perforación para extraer el detritus por media de cucharas de limpieza, así como cierta dificultad de avance en suelos blandos, libres de piedras o rocas.

 

  • Perforación a rotopercusión: Es una técnica que combina la rotación con la percusión, empleándose en rocas duras y semiduras, donde la rotación no es económica. El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Utiliza un martillo de fondo, accionado por la inyección de aire comprimido. El aire asciende por el espacio anular del sondeo arrastrando el detritus, al mismo tiempo que lubrifica la perforación. Junto al aire comprimido, se emplea espumante y agua para ayudar a la limpieza del sondeo. Aquí también existe la circulación directa e inversa.

 

  • Perforación con recubrimiento: Se trata la perforación dúplex o dual consistente en la entubación del taladro al mismo tiempo que se avanza en la perforación. Se basa en los mismos principios que la perforación a rotación en circulación directa, pero utilizando como fluido de perforación el aire y, en menor medida, el agua. Los dos métodos más extendidos de perforación con recubrimiento son los conocidos como método OD (overburden drilling) y método ODEX (overburden drilling with the eccentric). La técnica es rentable hasta diámetros de 300 mm y 50 m de profundidad, suficiente para una tubería de 225 mm y una bomba sumergible de 30 l/s. La experiencia indica que bastan perforaciones de 250 mm de diámetro, tuberías de 140 mm y bombas sumergibles de 7 l/s. Por debajo de 5 l/s se conocen como “pozos de baja capacidad” (low capacity wells).

 

  • Perforación sónica: Se trata de una tecnología reciente donde un cabezal hidráulico combina la presión descendente con impactos vibratorios de alta frecuencia (50-180 hz). Utiliza doble tubería, sin necesidad de fluidos de perforación, siendo una técnica poco invasiva en el medio ambiente. Su avance es rápido, pero sus diámetros actuales se limitan a 120 mm, lo cual es poco competitivo para su uso en pozos de drenaje. Sin embargo, no funciona óptimamente en suelos muy duros.

Destacamos, por último, la tendencia de los fabricantes de equipos de perforación para pozos de disponer de equipos multisistema con compresores, varillaje liso, varillaje de doble pared, etc., de forma que se pueden realizar perforaciones mixtas tanto a rotación a circulación inversa como a rotopercusión con un mismo equipo.

Os dejo vídeos explicativos sobre algunas de estas técnicas. Espero que os sean de interés.

Os dejo un vídeo donde se observa la ejecución de un pozo de drenaje.

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 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 pozos filtrantes profundos

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 sumergidas permite su colocación en el fondo de pozos y extraer con ellas el agua por encima de la cota de excavación, con una limitación de altura de bombeo que dependerá de la potencia del motor. Si se utilizan bombas centrífugas, hay que tener presente que la aspiración práctica suele ser de unos 5 m, por lo que si se busca una mayor depresión con estas bombas, se deberían escalonar. Sin embargo, también se pueden utilizar bombas eyectoras. De esta forma se consigue un descenso temporal del nivel freático con la consiguiente desecación del terreno. El nivel freático deprimido debe situarse entre 60 cm o, preferentemente, a 150 cm por debajo del fondo de la excavación. Se disponen pozos en el perímetro de la zona a excavar.

Figura 2. Pozos filtrantes en sótano en construcción de viviendas en Valencia. Imagen: V. Yepes (2020).

Se llaman pozos filtrantes pues disponen de una capa de material filtrante de granulometría adecuada para evitar el lavado de finos. Actualmente existen tubos comerciales de plástico ranurado que llevan incorporado en el exterior un filtro prefabricado de arena pegada con resina. Dentro del tubo dren se mete una tubería de aspiración con una válvula de cierre en su parte inferior. Cada uno de estos tubos dren se reúnen en la superficie con una tubería colectora que llega hasta la bomba de aspiración (Figura 1). 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 3). Normalmente se dispone de una llave de cierre en cada pozo para desconectar de la red los pozos que se consideren oportunos.

Figura 3. Agotamiento profundo del nivel freático mediante un pozo filtrante. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).

Por otra parte, un pozo profundo permite controlar las líneas de flujo, especialmente en terrenos arenosos y limosos susceptibles de tubificación, tal y como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Efecto en las líneas de flujo por efecto de un pozo profundo. www.soletanche-bachy.com

La profundidad del pozo no está limitada teóricamente, pues basta dar al agua la presión necesaria para elevarla hasta la superficie. 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 de agua y particularmente adecuado en terrenos que aumentan su permeabilidad con la profundidad, llegando a terrenos granulares. Sirven para terrenos con alta permeabilidad y grandes rebajamientos (k > 10-5 m/s). También son útiles cuando hay que rebajar el nivel freático en terrenos con intercalaciones de gravas limpias u otros estratos muy permeables, que aportan caudales importantes.

La acción de estas bombas sumergidas a profundidades variables, entre 10 y 30 m, pudiéndose llegar a los 80 m en casos excepcionales. Con acuíferos de gran potencia bajo la cota de máxima excavación, y sin barreras impermeables al flujo horizontal, las perforaciones deberían alcanzar entre 1,5 y 2 veces la profundidad de la excavación. Hasta 25-30 m, facilita el bombeo de caudales de unos 300 l/min, en radios de acción de unos 20 m.

Existe una tendencia actual a reducir el diámetro del pozo, pues reduce su coste de ejecución. Ello nos lleva a pozos de baja capacidad (low capacity wells) que son más eficaces. En efecto, como el caudal de un pozo es proporcional al logaritmo neperiano de su radio, duplicar el diámetro del pozo solo nos lleva a incrementar un 10% el caudal.

Figura 5. 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 5). 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 4 se presenta una sección transversal típica de un pozo filtrante, aunque pueden existir múltiples variantes. Suelen emplearse tuberías de PVC, que al menos ofrezcan una resistencia a la presión de 8 a 10 atmósferas, para evitar que la tubería colapse durante la colocación del empaque, desarrollo o bombeo del pozo. Las tuberías metálicas no suelen utilizarse por su mayor coste. Los pozos filtrantes presentan un diámetro entre 250 y 450 mm, incluso de 600 mm, dependiendo del tamaño de las bombas sumergibles, con filtros de una longitud entre 5 y 25 m.

Por razones económicas, se recomienda estandarizar las dimensiones de perforación a 250 mm (para tuberías de 140 mm) o a 300 mm (para tuberías de 225 mm), pues diámetros mayores requieren perforadoras de mayor tonelaje. 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 6). La separación típica entre ellos se sitúa entre 5 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 6. 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 wellpoints.
  • 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.

A continuación os dejo un vídeo explicativo sobre el drenaje con pozos profundos. Espero que os sea de interés.

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.
  • SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 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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Contención de aguas mediante ataguías

Figura 1. Ataguía, Montgomery Point Lock and Dam (Estados Unidos). https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dam_Coffer.jpg

Una ataguía (cofferdam) es una estructura, generalmente provisional, destinada contener el terreno e impedir, reducir o desviar la entrada de agua en una excavación. Se trata de construir un recinto estanco y seco temporal muy empleado, por ejemplo, en la ejecución de pilas de puentes, muelles, presas, y en cualquier otro lugar donde se quiera trabajar en seco.

Son obras que reciben el empuje de las tierras, el hidrostático y las fuerzas dinámicas debidas a corrientes u oleaje, en su caso, y que deben satisfacer los requisitos de estabilidad, impermeabilidad y estanqueidad. Por tanto, resulta inútil emplear ataguías sobre terrenos muy permeables, pues de nada serviría la impermeabilidad de las paredes si por el fondo se filtran caudales imposibles de agotar. En estos casos, sería necesario un dragado previo hasta alcanzar el sustrato impermeable.

Además, si la ataguía se utiliza en obras fluviales, hay que considerar los problemas hidráulicos como la erosión del lecho de la corriente y el desbordamiento. No en balde, si la ataguía empieza a tener dimensiones importantes debe diseñarse y construirse con todas las garantías exigibles a una presa, aunque sea provisional.

El trazado de la ataguía con frecuencia termina formando un recinto cerrado, caso muy habitual en el caso de la construcción de cimientos de puentes en los ríos. Sin embargo, pueden ser construcciones no cerradas, como es el caso de derivación de un río para construir una presa. En este caso de ataguías abiertas, no tiene sentido que su altura supere un nivel superior al de las orillas, aunque sí quedar por encima de la crecida ordinaria del río. La altura debe quedar por encima de las pleamares en obras marítimas.

La construcción de estos recintos estancos es compleja, pues se debe colocar en medio del cauce de un río o en el mar, en condiciones ambientales a veces muy duras. Es por ello difícil mantener las tolerancias constructivas, desviándose las dimensiones previstas en proyecto. Además, hay que tener presente que, en caso de desmontaje, se deben considerar los esfuerzos sobre la obra construida. Es por ello que muchas veces los recintos se quedan de forma permanente, por ejemplo en el caso de la construcción del cimiento de un puente.

Figura 2. Ataguía de tablestacas para la construcción de la cimentación de un puente. https://www.flickr.com/photos/vtrans/19114472205

Una ataguía de interés es la construida para el desvío y cierre del cauce de un río para la construcción de una presa. Realmente son presas cuya vida útil es muy reducida (de 1 a 4 años, según los casos), con fugas de agua o filtraciones admitidas mayores que las presas definitivas y con materiales empleados que, dada la cortedad de su vida útil, pueden ser de menor calidad. Es frecuente también colocar una contraataguía aguas abajo de la presa para contener la lámina de agua que pudiera llegarse a formar agua abajo, a la salida del túnel de desvío; aunque podría no ser necesaria cuando la pendiente del cauce es suficiente para que el agua siga con una cota máxima de lámina inferior al nivel del cauce en el lugar de trabajo.

Sea cual sea el tipo de ataguía a utilizar, resulta muy importante realizar un cálculo del gradiente hidráulico que se forma por la líneas de filtración del agua por el material permeable. Si el gradiente hidráulico, es decir, el caudal de agua dividido por la longitud de la línea de filtración excede a la unidad, se puede producir inestabilidad y el efecto de “arenas movedizas” del sifonamiento. Estas filtraciones se deben recoger en un sumidero para ser bombeadas al exterior del recinto excavado. El bombeo previsto para agotar el agua del recinto debe ser muy superiores a los previstos, pues son frecuentes las averías de las bombas, así como entradas de agua imprevistas.

La correcta elección del tipo adecuado de ataguía depende de aspectos tales como de la profundidad del agua, profundidad y tamaño de la excavación, tipo de terreno, velocidad de la corriente de agua, existencia de mareas o de elementos flotantes, condiciones locales y los medios que puedan utilizarse en función de la importancia de la obra a proteger. Galabrú (2004) clasifica las ataguías en los siguientes tipos: ataguías de tierra, ataguías mixtas de tierra y tablestacas, ataguías de escollera y gaviones, ataguías de tablestacas metálicas (cortinas simples, recintos y células autoestables), ataguías de hormigón (gravedad o bóveda, paredes moldeadas en el suelo e inyecciones, pantallas de pilotes y cajones hincados con aire comprimido o sin él), ataguías por congelación de suelos y casos especiales (sobres suelo rocoso o en cursos de aguas con corriente intensa).

Es más, los procedimientos de construcción de cimentaciones mediante cajones indios o mediante cajones de aire comprimido podrían considerarse, en cierto modo, como ataguías, puesto que serían sistemas que permiten trabajar en seco; aunque en estos casos el medio auxiliar no es provisional, sino que queda formando parte de la cimentación, tal y como pasa en el caso de los puentes cimentados bajo el agua.

Los romanos ya empleaban las ataguías para la construcción de la cimentación de los puentes, tal y como podemos ver en este pequeño vídeo de Structuralia:

Aquí tenéis una animación de cómo se construyó el Puente de Carlos, en Praga, puente que se terminó en 1402. Fijarse bien en cómo se ejecutaba la ataguía con una doble pared de tablestacas de madera rellenas de tierra.

Os dejo algún vídeo explicativo sobre ataguías y recintos cerrados (cofferdams).

Recientemente se han utilizado ataguías que se llenan, se despliegan y se estabilizan de forma rápida, tal y como se puede observar en los siguientes vídeos:

REFERENCIAS:

  • GALABRÚ, P. (2004). Cimentaciones y túneles. Tratado de procedimientos generales de construcción. Editorial Reverte, Barcelona.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • 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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Drenajes horizontales instalados mediante zanjadoras

Figura 1. Zanjadora instalando dren horizontal. https://www.jedipumps.com/dewatering.htm

Si se quiere rebajar el nivel freático en la excavación de un cimiento, sótano de edificio, en obras lineales de poca profundidad como líneas ferroviarias o carreteras, o en zanjas longitudinales para abastecimiento de agua potable, alcantarillado, líneas eléctricas, gaseoductos, oleoductos, etc., se puede realizar mediante la colocación de un dren horizontal (horizontal well dewatering) instalado mediante una zanjadora (dewatering trenchers) (Figura 1).

A diferencia del drenaje desde pozos filtrantes, el drenaje se instala en posición horizontal, justo debajo de la zona a drenar (Figura 2). Los drenes horizontales suelen ser muy efectivos en terrenos granulares.

Figura 2. Esquema del drenaje horizontal y del bombeo. https://www.groundwatereng.com/dewatering-techniques/horizontal-wells

La instalación de este sistema es relativamente sencilla. La zanjadora abre una zanja de unos 30 cm de ancho e instala en primer lugar un tubo sin perforar seguido de un tubo perforado, normalmente de material plástico (Figura 3). El dren se recubre de un geotextil para evitar la entrada de limos y arenas y posteriormente se rellena la zanja. En el caso de que el terreno sea de baja permeabilidad, la zanja se puede rellenar con grava filtrante en lugar del terreno original.

La longitud del dren la determina su diámetro, la naturaleza del terreno y el nivel freático. Normalmente las longitudes de drenaje son de unos 50 m, aunque pueden llegar a 100 m, y los diámetros entre 80 y 100 mm. El dren horizontal se suele instalar a unos 6-7 m de profundidad, pues a mayores distancias el coste se incremente significativamente. Tras instalar la tubería, se conecta la parte del tubo sin perforar a una bomba. Mientras se bombea agua, se puede trabajar en seco.

Figura 3. Esquema de la apertura de zanja para la instalación del dren horizontal. https://www.inter-drain.com/index.php/en/applications/horizontal-dewatering

Además de la facilidad en la instalación del drenaje, una ventaja del sistema es que la maquinaria de la obra puede circular por encima sin restricciones, al tratarse de un drenaje subterráneo. Además, se reduce hasta en un 30% el volumen necesario de agua a extraer, con la consiguiente reducción en el consumo de combustible o electricidad.

Os paso unos vídeos al respecto. Espero que os sean útiles.

REFERENCIAS:

  • 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. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia,  158 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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Drenes de penetración transversal: drenes californianos

Figura 1. Drenes californianos. http://civogal.com/drenes-californianos

Cuando se quiere reducir las presiones intersticiales en taludes y zonas de difícil acceso, son muy útiles los drenes de penetración transversal. Son perforaciones ascendentes comúnmente llamadas drenes californianos (horizontal drains), debido a que el Departamento de Carretas de California empezó a utilizarlo a partir de los últimos años de la década de 1930.

Son perforaciones de pequeño diámetro y gran longitud realizadas frecuentemente con los mismos carros perforadores empleados en la instalación de bulones o ejecución de sondeos. En su interior se dispone un tubo de policloruro de vinilo (PVC) ranurado, de un diámetro mínimo de 50 mm capaces de soportar cierta carga por si la perforación colapsara, tubo en ocasiones rodeado de un geotextil que actúe de filtrante para evitar el taponamiento o la erosión interna del terreno al escapar los finos. No obstante, si las deformaciones esperadas superan al radio del tubo, entonces se utilizan drenes metálicos. Asimismo, se pueden disponer drenes sin tubo interior, especialmente en roca sana, donde no se esperen movimientos que obstruyan la perforación, ni materiales que puedan obstruirla.

Los drenes se disponen con una pequeña inclinación, de al menos el 3% sobre la horizontal, normalmente entre 5-10º, para evacuar el agua por gravedad, debiéndose introducir, al menos, en 2-3 m en la zona de acumulación de agua. Es por ello que a veces también se llaman drenes subhorizontales. Se debe dejar también, entre 2 y 3 m del tubo más próximo a la boca del taladro sin orificios ni ranuras. En otras ocasiones se pueden disponer más inclinados, incluso en vertical en galerías de drenaje.

Los drenes de penetración transversal tienen como objeto reducir las presiones intersticiales, agotar un embalsamiento de agua o rebajar el nivel freático. En el caso de taludes, los drenes se utilizan para estabilizar deslizamientos profundos, tal y como se puede apreciar en la Figura 2. Son especialmente eficaces en terrenos permeables, rocas fisuradas o cuando interceptan capas permeables saturadas, perdiendo eficacia en suelos arcillosos homogéneos.

Figura 2. Localización del nivel freático antes y después de la instalación de un dren horizontal

Si bien la disposición de los drenes depende de las condiciones hidrogeológicas y morfológicas del talud o ladera, normalmente se disponen 1-2 filas de tubos distanciados entre 7 y 30 m, siendo lo más frecuente entre 10 y 15 m. En el caso de taludes de más de 60 m de altura, se disponen bermas y una línea de drenes al pie de cada berma, recogiendo el agua a una cuneta impermeable. Con alturas superiores a 100 m, la longitud de perforación necesaria es tan alta que su coste se dispara. Si en nivel freático se encuentra entre 30 y 60 m por encima del pie del talud, se prolongan los drenes desde el pie hasta una profundidad igual a la altura del talud, con un máximo de 90-100 m.

La perforación simultánea de los drenes con desmontes de alturas superiores al de la maquinaria ordinaria facilita su ejecución y mejora las condiciones de drenaje durante la excavación. No se emplean lodos tixotrópicos durante la perforación, sino entubaciones provisionales al atravesar terrenos inestables o tramos de falla, hasta instalar el tubo definitivo. El agua drenada por los tubos debe canalizarse adecuadamente a cunetas u otros elementos del drenaje superficial. Además, estos drenes deben someterse a revisiones periódicas, con un mantenimiento que incluya su limpieza con aire a presión.

Los drenes de penetración transversal presentan como ventajas su rápida y sencilla instalación en comparación con otros sistemas de drenaje profundo, permite alcanzar toda la superficie del talud, puede ejecutarse una vez iniciadas las inestabilidades y el desagüe se realiza por gravedad, sin el uso de bombas o sistemas auxiliares. Sin embargo, su área de influencia es limitada en comparación con otros sistemas de drenaje profundo y se ejecutan una vez hecho el talud, por lo que su estabilidad puede complicarse.

Como información complementaria, os dejo la ficha técnica realizada por GEOCISA sobre al ejecución de anclajes y drenes californianos en el castillo de Jadraque (Guadalajara).

Descargar (PDF, 277KB)

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