hidráulica – El blog de Víctor Yepes

Galerías de drenaje en el control del nivel freático

Figura 1. Galería de drenaje, con barrenos en abanico (IGME, 1987)

Las galerías de drenaje constituyen un sistema muy utilizado en obras subterráneas y minería para disminuir las presiones intersticiales y controlar las corrientes profundas de agua. En ocasiones se utiliza un procedimiento similar en la captación de aguas para abastecimiento de la población y también se disponen en el interior de las presas para interceptar las pérdidas de agua.

Se trata de un sistema de control del nivel freático efectivo, pero poco frecuente por su elevado coste, útil en taludes de gran altura o situaciones problemáticas donde son inviables otros sistemas de drenaje. Se trata de abrir una galería, generalmente subhorizontal, en el macizo que se desea drenar, normalmente con una dirección paralela al talud, y a distancia del mismo. Es habitual perforar una serie de barrenos en abanico en la bóveda de la galería para cortar los posibles niveles impermeables o acceder a zonas de mayor permeabilidad (Figura 1).

En función del tipo de terreno a atravesar, las paredes de las galerías pueden precisar diferentes tipos de sostenimiento y revestimiento, típico de la construcción de túneles. En rocas competentes se puede ejecutar la galería sin sostenimiento, pero en suelos y rocas muy fracturados puede ser necesario un revestimiento continuo, normalmente de hormigón armado, lo cual obliga a instalar un haz de drenes en distintas direcciones. Si es posible, estas galerías deben ser accesibles, tanto para equipos como personas encargadas de su construcción y posterior mantenimiento. Las excavaciones suelen iniciarse con una boca de entrada (pozo de visita) y tener varios pozos de ventilación a lo largo de la extensión del conducto (galería). La parte superior de la galería se localiza en la zona húmeda, mientras que la parte inferior se ubica en la zona saturada.

Las galerías de drenaje presentan, a pesar de su coste, ventajas de interés. Son de gran capacidad drenante por su amplia sección, pudiendo conectar pozos drenantes y otros sistemas; son apropiadas en actuaciones a largo plazo, con un drenaje por gravedad; no interfiere en trabajos en superficie, al estar construidas en profundidad; son muy eficaces en terrenos con mayor permeabilidad en sentido vertical que horizontal, como es el caso de macizos rocosos diaclasados; además, son muy efectivas si se construyen en superficies inestables y se complementan con taladros hacia la dirección de la superficie de deslizamiento.

Por contra, son menos eficaces en formaciones con mayor permeabilidad horizontal que vertical, precisando en este caso perforaciones verticales que aumenten el drenaje; además, son menos eficaces en formaciones heterogéneas y en macizos rocosos con gran separación entre discontinuidades.

En la Figura 2 se representa, de forma aproximada, la mejor posición de la galería de drenaje, aunque tanto la situación como su tamaño se ajusta a las características del terreno. Si bien es económicamente costoso, a veces se suele rellenar la galería con material granular de distintos tamaños, lo cual disminuye las deformaciones posteriores de la galería. Se recomienda disponer una solera hormigonada con ligera pendiente transversal y un canal de evacuación de las aguas con pendiente longitudinal suficiente.

Figura 2. Disposición de galería de drenaje (IGME, 1987)

Os paso un vídeo donde se relata una noticia de galería filtrante en Bolivia.

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. (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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Conceptos básicos del agua en medio poroso

Figura 1. Esquema de acuífero. https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Aquifer_es.svg

Cualquier curso de geotecnia básica dedica una parte importante de su temario a describir y caracterizar el agua en el suelo, especialmente el flujo en medios porosos y la incidencia de las presiones efectivas en la deformación de los suelos.

En este artículo vamos a recordar algunos conceptos básicos que, de una u otra forma, influyen directamente en los procedimientos constructivos, especialmente cuando se trata de controlar el agua. Se remite al lector a la bibliografía básica para profundizar más en estos temas.

Acuífero: terreno por donde circula el agua. Al límite impermeable inferior del acuífero se le denomina muro y al superior techo. Si el agua se encuentra en contacto con la atmósfera a través de los poros o fisuras existentes en la zona no saturada, se denomina acuífero libre. En cambio, en un acuífero confinado, el techo se encuentra a presión superior a la atmosférica.
Acuicludo: formación geológica que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la transmite y, por tanto, no es posible su explotación (caso de terrenos arcillosos).
Acuitardo: formación geológica que transmiten muy lentamente el agua, por lo que tampoco son aptos para la captación. Sin embargo, en condiciones especiales, permiten una recarga vertical de otros acuíferos. Es el caso de un estrato de arcillas limosas o arenosas.
Nivel freático: lugar geométrico de los puntos donde la presión del agua es la atmosférica. Es el nivel que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en libre comunicación con los vacíos del suelo in situ. Por encima del nivel freático existe el agua capilar donde su presión es menor que la atmosférica. En un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico, que si se encuentra por encima de la superficie del terreno, se dice que existen “condiciones artesianas”.
Coeficiente de almacenamiento: cantidad de agua que cede un prisma de acuífero de base cuadrada unitaria cuando se le deprime la unidad. Es adimensional. Su valor oscila normalmente entre 0,2 y 0,4 en acuíferos libres, oscilando entre 10^-5 y 10^-3 en los acuíferos cautivos y semiconfinados, al entrar en juego los efectos mecánicos del terreno o de la propia agua.

Figura 2. Esquema de acuífero libre y confinado (Bouwer, 1987)

Porosidad: porcentaje del volumen total de un suelo o roca que está ocupado por poros. Estos poros estarán rellenos de agua si el material está saturado, o de aire y agua si no lo está. Si solo se considera el volumen de los poros que están interconectados, se denomina “porosidad eficaz”. En los acuíferos libres el coeficiente de almacenamiento coincide con la porosidad eficaz.
Índice de poros o huecos: razón entre el volumen de poros y el volumen de sólidos.
Humedad: relación entre el peso del agua que contiene un suelo y el peso del suelo seco.
Grado de saturación: porcentaje del volumen de huecos ocupados por el agua.

Carga hidráulica total: también llamado potencial, es la energía por unidad de peso (expresada como una altura) en un determinado punto de un fluido en movimiento. Donde H es la carga hidráulica total, z la altura geométrica, u/γ_w la altura de presión, siendo u la presión del agua en el punto considerado y γ_w el peso específico del agua y v²/2g la altura de velocidad, siendo v la velocidad del flujo en el punto considerado y g la aceleración de la gravedad. Todos estos términos tienen unidades de longitud. Si el agua está en reposo (condiciones hidrostáticas), o bien se desprecia la velocidad por ser muy baja (caso de la circulación del agua en medio poroso), la carga total es la altura piezométrica.

Líneas de corriente o líneas de flujo: son las curvas por las que se mueven las partículas fluidas, invariables en el transcurso del tiempo. A medida que el agua circula a través del suelo, modifica su velocidad y potencial.
Líneas equipotenciales: lugares geométricos del flujo donde la altura piezométrica es constante.

Figura 3. Red de flujo, formada por líneas equipotenciales (Ψ) y líneas de corriente (Φ)

Teorema de Bernouilli: en el caso ideal de un fluido perfecto e incompresible sujeto a un flujo permanente y estacionario, la carga hidráulica total se mantiene constante entre dos puntos cualesquiera del fluido a lo largo de una línea de corriente. Como un fluido real no es perfecto, cualquier obstáculo al flujo produce una pérdida de carga. De hecho, existe flujo entre dos puntos si existe una diferencia en la carga hidráulica, de forma que el agua circula del punto de mayor a menor potencial. Si se añade energía H al caudal mediante una bomba, y se consideran las pérdidas h_r, del punto 1 al punto 2, la ecuación queda:

Coeficiente de permeabilidad: k, mide la facilidad para que el agua circule a través de un suelo. También se llama conductividad hidráulica, y tiene unidades de velocidad, normalmente cm/s. La permeabilidad implica una posibilidad de recorrido y exige la existencia de vacíos o huecos continuos. La permeabilidad depende de factores intrínsecos al acuífero y extrínsecos, que dependen del fluido, y son su viscosidad y su peso específico. Según Hazen, en arenas uniformes, la permeabilidad es proporcional al cuadrado del diámetro eficaz (D₁₀ ).
Permeabilidad equivalente horizontal: el flujo atraviesa horizontalmente un conjunto de n estratos, con una permeabilidad cada uno de k_i y un espesor e_i. El caudal equivalente será la suma de los caudales, por lo que la permeabilidad equivalente, k_h vale lo siguiente:

Permeabilidad equivalente vertical: el flujo atraviesa verticalmente un conjunto de n estratos, con una permeabilidad cada uno de k_i y un espesor e_i. El caudal a lo largo de los estratos, y cada estrato tendrá un gradiente distinto i_i, por lo que igualando las pérdidas de carga y despejando, obtenemos la permeabilidad equivalente k_v, que vale lo siguiente:

Gradiente hidráulico: i, se define como la pérdida de carga (altura piezométrica) por unidad de longitud recorrida. Es un vector cuya dirección se orienta con los potenciales decrecientes.

Ley de Darcy: la velocidad del fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico a través del coeficiente de permeabilidad. No es una propiedad intrínseca del suelo y tiene unidades de velocidad. Aquí se ha supuesto un flujo laminar en medio poroso y una velocidad media a través de una sección “macroscópica” de suelo, es decir, la velocidad aparente a lo largo de las líneas de flujo.

Transmisividad: caudal que se filtra a través de una franja vertical de terreno, de ancho unidad y de altura igual al espesor saturado, bajo un gradiente unidad, a una temperatura determinada y durante la unidad de tiempo. Sus unidades son las de una velocidad multiplicada por una longitud.
Ecuación de Laplace: modeliza un flujo estacionario en medio poroso homogéneo e isótropo de un fluido incompresible, en un suelo de peso específico constante y saturado. De difícil solución analítica, se puede resolver gráficamente dibujando dos familias de curvas ortogonales entre sí, las líneas equipotenciales (Ψ) y las líneas de corriente (Φ), que forman la red de flujo. Para dibujar la red de flujo hay que considerar que las fronteras impermeables constituyen líneas de corriente y las fronteras permeables (como una lámina de agua) es una línea equipotencial. Al cortarse ambas familias de líneas, se deben obtener “cuadrados curvilíneos”.

Red de flujo: una vez dibujada la red, la pérdida de carga total se distribuye de forma uniforme entre las equipotenciales, todos los canales de flujo transportan el mismo caudal, y un canal de flujo es el comprendido entre dos líneas de corriente. Las principales aplicaciones de las redes de flujo son: calcular las presiones del agua subterránea en unas determinadas líneas o superficies, estimar los caudales del agua subterránea y calcular los gradientes hidráulicos.

Fuerzas de filtración o de arrastre: son fuerzas másicas (fuerza por unidad de volumen) que el agua ejerce sobre el terreno al circular por sus poros. El módulo de estas fuerzas por unidad de volumen es el producto del peso específico del agua por el gradiente. La fuerza de filtración tiene la dirección y el sentido del flujo.

Presión efectiva: es la presión que se transmite grano a grano, siendo la diferencia entre las presiones totales y las intersticiales. Según el postulado de Terzaghi, la resistencia al esfuerzo cortante y el cambio de volumen de un suelo dependen de la magnitud de la presión efectiva y sus variaciones.

Os voy a dejar algunos vídeos explicativos de estos conceptos. Espero que os sean de utilidad.

Referencias:

BOUWER, H. (1978). Groundwater Hidrology. Mc Graw-Hill Book Co., New York, 480 pp.
DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, Madrid.
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.
YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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:

Comprender la utilidad y las limitaciones de los procedimientos de contención y control del agua en obras de ingeniería civil y de edificación
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.

Pantallas delgadas de lodo ejecutadas mediante vibración de perfiles

Figura 1. Ejecución de una pantalla delgada de lodos. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Las pantallas delgadas de lodo (thin slurry walls) actúan como barreras verticales para contener el flujo horizontal del agua subterránea. A diferencia de los muros pantalla, donde se sustituye el terreno por bentonita, las pantallas delgadas desplazan los suelos vibrando un perfil de acero (vibrated beam slurry walls).

Se trata de un sistema que se ha utilizado con éxito y de forma económica como pantallas de contención de filtraciones en presas, como medio para controlar las aguas subterráneas durante la ejecución de obras o como elemento de contención de residuos tóxicos. Se consiguen permeabilidades en el rango de k = 10^-8 cm/s. Además, como se requiere poca excavación de material, se reduce el transporte de material a vertedero, aspecto realmente importante cuando se trata de suelos contaminados.

Mientras se vibra el perfil también se inyecta una lechada autoendurecible para ayudar como lubricante. Posteriormente se extrae el perfil, creando un espacio de 10-15 cm que se rellena con dicha lechada. Este método es adecuado para arenas y gravas. El grosor de la pared de lechada depende de la forma del perfil de acero utilizado y de las condiciones del terreno. El espesor varía entre 5 cm en arenas y 20 cm en gravas. Si se combina con una inyección de alta presión (jet grouting), se pueden alcanzar espesores de pantalla de 30 cm. Las profundidades máximas habituales se encuentran entre 15-30 m.

Figura 2. Detalle del perfil de acero introducido por vibración. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Se forma una pantalla continua superponiendo elementos individuales, instalados uno tras otro mediante la vibración del perfil de acero. Una guía fijada al ala del perfil en el panel anterior asegura el solapamiento correcto con el panel en ejecución (Figura 3).

Figura 3. Esquema de ejecución de la pantalla delgada de lodo ejecutada mediante vibración de perfiles de acero. https://spezialtiefbau.implenia.com/

Os dejo un vídeo sobre este tipo de pantalla.

Dejo un artículo sobre este procedimiento de contención.

Descargar (PDF, 645KB)

REFERENCIAS:

CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 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. (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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

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:

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.
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.

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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Bombas empleadas en el control del nivel freático de una excavación

Figura 1. Bomba de achique. https://www.sulzer.com/es-es/spain/shared/applications/dewatering-in-construction

Las bombas hidráulicas empleadas para controlar el nivel freático se diseñan para agotar aguas que están en contacto con el suelo, lo cual implica el arrastre de partículas. Este tipo de bombas se emplean con aguas sucias, que pueden presentar material granular de 10 mm de tamaño máximo, siendo muy importante conocer su proporción de arenas. La calidad del agua determina si la bomba puede ser estándar EN 1.4301/AISI 304 o si tiene que ser de acero inoxidable de un grado superior.

El bombeo debe reservarse a los casos imprescindibles, donde el drenaje por gravedad sea insuficiente o bien donde la disposición de medidas de contención (ataguías, muros pantalla, tablestacas, inyecciones de impermeabilización, etc.) no sean rentables. Se deben mantener los equipos e instalaciones de agotamiento con la capacidad y características necesarias desde el principio de la obra, con sus correspondientes bombas de reserva y piezas de repuesto. Además, la alimentación de energía eléctrica debe garantizarse, incluso con la previsión de grupos electrógenos de emergencia.

Pérez Valcárcel (2004) clasifica las bombas utilizadas en la excavación en las siguientes:

Bombas de achique: Útiles para evacuar pequeños caudales en excavaciones con entrada esporádica de agua o sótanos inundados.
Bombas de drenaje: De mayor tamaño, evacuan mayor caudal y son idóneas para drenar excavaciones con fuerte entrada de agua.
Bombas sumergibles: Se emplean cuando el descenso de agua es muy alto, trabajando sumergidas.

En todos los casos, el problema será averiguar el caudal a bombear para reducir el agua por debajo del nivel de la excavación. Para ello se suele utilizar, para el régimen permanente en un acuífero libre, la fórmula de Dupuit-Thiem, la cual ya fue descrita en un artículo anterior.

En excavaciones verticales son habituales las bombas de diafragma, las bombas centrífugas, tanto de aspiración como autoaspirantes, y las bombas sumergibles. Aunque no se trata propiamente de una bomba, también describimos brevemente el eyector hidráulico.

Bombas de diafragma o membrana: Es una bomba de desplazamiento positivo cuyo funcionamiento alternativo se produce por medio de una membrana elástica accionada por medios mecánicos o hidráulicos y válvulas esféricas que permiten el paso del agua (Figura 2). El cambio de presión genera que la válvula de succión se abra y permita el paso del fluido, la diferencia de presión abre la válvula de impulsión y la membrana se contrae, con lo cual el agua sale de la bomba. Algunos modelos presentan diafragmas de diversas formas (diafragma tubular, de doble disco, etc.). Habitualmente son bombas de poca potencia y pequeños caudales que se emplean en aguas cenagosas o cargadas de limo y arenas. Se eliminan las fugas posibles de líquido por su sistema de funcionamiento y sellado, por lo que son adecuadas para bombear materiales corrosivos y otros donde no se admitan fugas, en aplicaciones industriales. Presentan una succión muy elevada y un rendimiento muy bajo, una altura de impulsión máxima de 15 m. Aunque existen bombas de mando manual o hidráulico, en construcción se usan las de mando manual, y dentro de éstas, las electromagnéticas (caudal de 0,1 a 100 l/h) y las accionadas por motor (caudal de 100 a 1000 l/h). Algunos modelos pueden manejar partículas sólidas de hasta 40 mm.

Figura 2. Bomba de diafragma. https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_membrana

Bombas centrífugas de aspiración: Son bombas dinámicas aptas para todo tipo de líquidos, incluso con sólidos en suspensión, excepto si la carga a vencer es demasiado elevada. En excavaciones puede entrar arena o barro que obligan al diseño de paletas sujetas al desgaste. El líquido, al entrar en la cámara por la parte central y en la dirección del eje del rotor, es impulsada por éste y al girar lanzada hacia el exterior por la fuerza centrífuga. El líquido adquiere energía cinética que en el difusor se convierte en un aumento de presión. Transforman, por tanto, un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico, siendo su funcionamiento análogo, pero inverso, a las turbinas hidráulicas. Las bombas centrífugas pueden tener varias etapas (normalmente hasta ocho), de modo que el difusor de cada cámara envía el agua a la siguiente, aumentando la presión. Así, las bombas de varias etapas se adaptan a las condiciones de caudal y presión del sistema, siempre que no se planteen problemas de uso con aguas muy sucias. Las ventajas principales de las bombas centrífugas son el suministro de un caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Uno de los escasos inconvenientes de la bomba centrífuga convencional es la necesidad de cebado previo al funcionamiento pues, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son autoaspirantes. En teoría, sería posible aspirar agua desde una profundidad de 10,33 m, sin embargo, esto exigiría un vacío absoluto; por tanto, a partir de los 5-7 m de excavación (altura de aspiración práctica), la bomba debería quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático original, facilitando así la impulsión hacia la superficie (Figura 3). En este caso son mejores las bombas sumergibles, donde ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la de impulsión solo depende de la potencia del motor.

Figura 3. Esquema de altura de impulsión. http://www.benoit.cl/LIBRO-HIDRAULICA-BOMBAS%20IDEAL.pdf

Bombas centrífugas autoaspirantes: Actualmente existen bombas centrífugas autocebantes, que permiten trabajar sin el peligro de deterioro por trabajar en vacío (Figura 4). En el principio de autocebado, el aire se introducen en la bomba por la presión negativa generada por el impulsor y se emulsiona con el líquido contenido en el cuerpo de la bomba. Esta emulsión entra forzada en la cámara de cebado, donde el aire más ligero escapa por la tubería de impulsión y el líquido recircula en el interior de dicha cámara. Una vez se expulsa todo el aire de la tubería, la bomba se ceba automáticamente hasta una altura de 5-7 m y trabaja como una bomba centrífuga convencional. Estas bombas también pueden trabajar con una mezcla líquido-aire. Algunos modelos pueden manejar sólidos de hasta 50 mm de tamaño.

Figura 4. Bomba centrífuga autoaspirante. https://www.tecnicafluidos.es/bombas-centrifugas-autoaspirantes-t-8-es

Bombas sumergibles de agua sucia: Estas bombas se utilizan en procedimientos de bombeo de achique cuando existen pequeñas infiltraciones o agua de lluvia en la excavación. Son relativamente pequeñas, normalmente portátiles, con una agarradera para moverlas fácilmente (Figuras 5 y 6). Tales bombas son de baja eficiencia (usualmente 50 a 60 %); las unidades son robustas y por lo tanto, requieren pozos de gran diámetro. Existen en el mercado unidades con potencias mayores que 100 HP para corriente directa o trifásica. Constan de un rodete multicanal, con una configuración y álabes preparados para estos fluidos. No poseen tubo de aspiración, por lo que el motor eléctrico se sitúa en el interior de la bomba. Las bombas empleadas en la construcción cuentan con una protección especial contra la abrasión para bombear aguas sucias con contenidos de lodos, arenas o cementos. Las bombas para agotamientos utilizadas en los sumideros se diseñan especialmente para trabajos duros en elevación de aguas sucias y fangosas. Funcionan en seco o sumergidas, ya que bomba y motor forman una unidad compacta y estanca; no dependen de la presión del aire que la rodea, así pueden impulsar los líquidos a alturas considerables; necesitan únicamente dos conexiones, una al tubo de descarga y otra al motor; no requieren tuberías, pues basta una manguera; no tienen válvulas, y por tanto, no se obstruye; no necesita cebarse; puede trabajar en seco en cortos periodos; trabajan en cualquier posición, aunque el mayor rendimiento se da en vertical y presentan un bajo coste de instalación, funcionamiento y mantenimiento.

Figura 5. Esquema de bomba sumergible de achique

Figura 6. Bomba de achique sumergible. https://www.bombasideal.com/producto/serie-d/

Figura 7. Principio de bomba sumergible. https://www.ingenieros.es/files/catalogos/Grundfos_-_Manual_de_Ingenieria_SP_ES.pdf

Electrobombas sumergibles para pozos profundos: Son bombas con rodetes radiales o semiaxiales de múltiples etapas superpuestas diseñadas para pozos profundos (hasta 350 m) y de pequeña sección (4” a 14”). Existen dos tipos, la bomba con motor sumergible y la de motor seco conectado a la bomba por medio de un eje largo.

Se pueden impulsar caudales desde 3 l/s (dentro de tubos de 152 mm de diámetro interno) a 40-80 l/s (en tubos de 250 a 300 mm de diámetro interno). Constan de un motor eléctrico del tipo “jaula de ardilla” de 2 a 250 kW, provisto de estator con bobinado de conducciones especialmente aislado con PVC y compensador de dilataciones y contracciones por cambios de temperatura. Son bombas con un alto rendimiento, entre el 70 y el 80%.

El factor más desfavorable es la presencia de arena (daños a partir de más de 25 g de arena por m³). También hay que determinar la composición del agua, su pH o el contenido de CO₂, pues influyen en la elección de la bomba adecuada, por la presencia de estos componentes corrosivos o abrasivos. No son imprescindibles los cuidados de mantenimiento, no se producen averías por heladas, ni ocurren problemas de aspiración ni de ruido; estas circunstancias justifican la economía de su uso, siempre que los grupos utilizados estén bien proyectados y sean resistentes y equilibrados. Sin embargo, en caso de avería del motor se debe extraer toda la columna.

Según se observa en la Figura 7, la bomba consta de una entrada (1), un número de etapas de bomba (2) y una salida de la bomba (3). Según la presión requerida, se incluye un mayor número de etapas. Cada etapa incluye un impulsor (4), los álabes del impulsor transfieren energía al agua. Cada impulsor está fijo al eje de la bomba (5) mediante una conexión acanalada o una conexión de cono dividido.

Bombas de turbina de eje vertical: Son adecuadas para grandes caudales con pequeñas alturas en posición vertical y sumergida. La bomba se coloca en el fondo del pozo, sin embargo, a diferencia de la electrobomba sumergible, la unidad motriz se ubica encima o junto al grupo de bombas, en la cabeza del pozo (Figura 8). Existen dos tipos de bombas de turbina de eje vertical, las lubricadas por aceite y las lubricadas por agua (autolubricadas). La construcción de estas bombas permite montar el número de etapas necesario, que puede llegar a 20 o más. Se pueden alcanzar unos 200 m.c.a., pero los problemas que ocasiona cualquier imperfección en la rectitud del eje influyen en la vida de los cojinetes y en la vibración de funcionamiento. Frente a las electrobombas sumergidas, su mayor ventaja es la facilidad de desmontar el eje y el impulsor desde arriba, sin necesidad de retirar la columna, lo que facilita la accesibilidad y el mantenimiento.

Figura 8. Esquema de bomba de turbina de eje vertical (Cashman y Preene, 2012)

Bombas de vacío para lanzas de drenaje (wellpoints): Constan de una unidad centrífuga para bombear el agua, de una unidad de vacío para impulsar el aire y de una cámara de aire flotante para separar el aire del agua. Su potencia disponible comercial varía entre 20 a 250 CV. Debido a que operan continuamente con vacíos importantes, se pueden dañar por cavitación. El equipo, montado sobre un chasis con un eje con neumáticos y barra de tiro para facilitar su colocación en la obra (Figura 9), consta de los siguientes elementos principales:
- Cámara o tanque de separación de aire: recipiente cilíndrico con gran capacidad (de 1,5 m³), para reducir al mínimo los paros y arrancadas.
- En su interior se alojan dos bombas sumergibles eléctricas o bombas para la impulsión del agua, así como los electrodos de barra para el control del nivel eléctrico.
- Consta además de dos bombas de vacío eléctrico adosadas en el exterior del tanque. Se trata de dos depresores del tipo multicelular enfriados por aire y lubricados por aceite.
- Cuadro de control eléctrico. Todos los equipos están provistos de control de marcha automática, con lo que se reducen al mínimo los costos de funcionamiento. Los elementos de mando eléctrico se hallan en una caja hermética al agua.

Figura 9. Equipo de bombeo para *wellpoints*. http://www.ischebeck.es/assets/files/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf

Eyector hidráulico: Son bombas fluido-dinámicas que utilizan la energía de un fluido primario) para mantener un caudal de otro fluido (secundario) mediante un salto de presión. Son dispositivos que tienen la ventaja de no tener elementos móviles, no precisan mantenimiento, trabajan con todo tipo de fluidos, son confiables en su funcionamiento y pueden instalarse en cualquier posición. El eyector hidráulico, tal y como se aprecia en la Figura 10, está formado por un tubo vertical sumergido, paralelo al de aspiración, y al que se impulsa agua desde la parte superior. Ello forma una subpresión en la tobera inferior, cuando la altura de aspiración sobrepasa los 7 m, que es capaz de aspirar en condiciones económicas hasta los 20 m. Los sistemas eyectores son efectivos en suelos finos donde se requiere un bombeo de pequeños volúmenes de agua y para los cuales la baja eficiencia de los eyectores no es una desventaja. Este dispositivo, con algunas modificaciones, se emplea para el transporte de aguas sucias, lodos y arcillas en suspensión, en una proporción que llega a la cuarta parte del volumen total del fluido. Son las llamadas “bombas mamut”, que pueden elevar hasta 10 m mezclas fangosas, incluso con arenas, aunque sus rendimientos son pequeños (inferiores al 25%). En ocasiones se emplean lanzas hidráulicas de alta presión para romper la cohesión del material a bombear.

Figura 10. Eyector hidráulico. http://puyga.es/como-elegir-una-bomba-de-agua-para-pozos-componentes-tipos-y-recomendaciones-practicas/

Os dejo un vídeo de una bomba vertical tipo turbina.

REFERENCIAS:

CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
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.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Contención del agua mediante ataguías celulares

Figura 1. Ataguía celular para la construcción de isla artificial de conexión puente-túnel del Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge. http://www.americanpiledriving.com/wordpress/2011/12/12/

Las ataguías celulares son estructuras de contención utilizadas con profundidades importantes, formadas por cilindros huecos contiguos, normalmente tablestacas de acero unidas, que soportan los empujes mediante la fricción de su base (Figura 1).

Estos cilindros son relativamente grandes, con diámetros típicos de 12 a 20 m. Se utilizan en la construcción de presas, muelles (Figura 2), pilas de puentes y recintos en general donde debe trabajarse en seco.

Los recintos construidos con ataguías celulares se pueden construir sobre terrenos firmes o de calidad media. Los depósitos de suelos blandos hasta gran profundidad pueden ser inadecuados.

Figura 2. Muelle de recintos de tablestacas. http://www.puertos.es/es-es/BibliotecaV2/ROM%200.5-05.pdf

En el caso de corrientes importantes, por ejemplo en un gran río, es importante conocer el campo de velocidades entorno a la zona donde se colocarán las ataguías celulares. En este caso, la propia ataguía reduce la sección del río y provoca un aumento de la velocidad del agua, con la posible erosión del fondo del cauce, en especial hacia las esquinas, por lo que conviene redondearlas.

Las celdas se rellenan con un material del mayor peso específico posible, normalmente una mezcla de arenas y gravas. En el caso de desmontar las celdas, antes debe extraerse el material de relleno. En cambio, si se rellenan de hormigón quedan como estructuras permanentes, como es el caso de la construcción de diques en obras portuarias.

El ancho medio de una ataguía celular sobre roca oscila entre el 70 y el 80% de la altura del agua exterior que retiene (Figura 3). En el caso de estar sobre suelos arenosos, al igual que ocurre con las ataguías de tablestacas de doble pared, debe tener un espaldón en el interior. Con grandes calados de agua, estas ataguías de doble pared se pueden rellenar de hormigón y sostenerse por puntales, lo cual ahorra un espacio considerable y permiten asegurar una buena impermeabilización con anchos muy pequeños.

Figura 3. Sección de ataguía celular de doble pared de tablestacas

Existen distintas configuraciones de recintos que se construyen con formas circulares de tablestacas planas, creando celdas independientes que después se unen mediante arcos de tablestacas con formas especiales. En la Figura 4a se observan arcos circulares conectados por diafragmas rectos; en la Figura 4b vemos celdas circulares conectadas por arcos circulares; en la Figura 4c vemos la estructura tipo trébol, que consta de grandes celdas circulares subdivididas por diafragmas rectos. Las ataguías de tabiques rectos requieren menos tablestacas que las celdas circulares, aunque el relleno debe hacerse con cuidado para que los tabiques de separación no sufran presiones descompensadas. Con los recintos circulares, se pueden rellenar las celdas de forma independiente. Con los recintos de diafragmas, han de hacerse los rellenos simultáneamente, utilizándose un mayor número de tablestacas. Su posible ventaja radica en menores esfuerzos en la tablestaca para un mismo calado.

Figura 4. Configuraciones de ataguías celulares

Las ataguías celulares se deben diseñar para ofrecer seguridad estructural en distintos aspectos:

Se debe evitar el vuelco y su puesta fuera de alineación
Debe estar al abrigo del deslizamiento
Debe presentar seguridad a la rotura por cortante en el relleno interior de la célula
Las juntas no deben romperse, teniendo en cuenta la corrosión
Las almas de las tablestacas deben presentar un factor de seguridad razonable frente a la rotura
No deben haber distorsiones ni deformaciones fuera de límites aceptables

La ventaja de construir las ataguías celulares con tablestacas es que precisan poco andamiaje, bastando unas guías superiores e inferiores para hacer descenderlas (Figura 5). Se pueden construir desde tierra, de forma que cada célula terminada sirve de plataforma de trabajo para hincar en la siguiente (Figura 6). Sobre lechos rocosos irregulares, las longitudes de las tablestacas se adaptan al perfil de la roca. Sobre suelos arenosos o de grava, se dispone de un banco de tierra interior (Figura 3) para conseguir que la longitud de la filtración sea suficiente para evitar el colapso por surgencia.

Figura 5. Ataguía celular para dique de Carena. https://www.soletanche-bachy.com/es

Figura 6. Ataguía celular para dique de Carena. https://www.soletanche-bachy.com/es

Uno de los mayores riesgos de colapso de las ataguías celulares es el fallo de cualquier unión. Por eso no se aconseja usar estas ataguías sobre terrenos con cantos u otros obstáculos que puedan abrir las tablestacas o la ruptura de las uniones.

A continuación os dejo algunos vídeos sobre el uso de las ataguías celulares. Espero que os sean de interés.

REFERENCIAS:

CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 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. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
PUERTOS DEL ESTADO (2005). Recomendaciones Geotécnicas para Obras Marítimas y Portuarias ROM 0.5-05. Ministerio de Fomento, Madrid, 537 pp.
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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Contención de agua mediante pantallas de geomembranas

Figura 1. Instalación de geomembrana. https://cofra.com/solutions/barriers/geolock.html

Una pantalla de geomembrana (geomembrane cutoff wall) constituye un procedimiento de contención de agua que utiliza como material de barrera el polietileno de alta densidad (PEAD). Se trata de una técnica de contención de aguas y terrenos contaminados que se ha utilizado desde la década de 1980. Su desarrollo se debió a la preocupación por la integridad de las pantallas de lodo, de forma que las geomembranas complementan y garantizan la seguridad de la impermeabilización.

La geomembrana se inserta verticalmente mediante zanjas verticales u otros métodos que llegan hasta terreno impermeable (Figura 1). Asimismo, se inyectan materiales de relleno para sellar la parte inferior de la geomembrana para que se adhiera a la capa impermeable. A ambos lados de la geomembrana se rellena con una mezcla de suelo-bentonita de baja permeabilidad, o bien con mezclas de bentonita-cemento para impedir el paso del agua o de materiales contaminantes (Figura 2).

El PEAD (k ≤ 1.0 × 10⁻¹² cm/s) mejora el desempeño frente a las zanjas de lodo tradicionales al diminuir la permeabilidad de la barrera hasta en dos órdenes de magnitud y al mejorar la resistencia química de la barrera. Además, existen juntas hidrófilas que se expanden al entrar en contacto con el agua y permiten cerrar de forma estanca las juntas de la geomembrana. Es actualmente el procedimiento de contención más seguro y eficaz para evitar el transporte de masas de agua contaminadas en el subsuelo. Sin embargo, como inconvenientes hay que citar que es difícil asegurar bien la calidad de la instalación y que no es la geomembrana lo suficientemente rígida como para clavarse directamente, tal y como sería el caso de las tablestacas.

Figura 2. Esquema de contención de zona contaminada mediante pantallas de geomembranas

Antes de instalar la barrera de geomembrana, se deben investigar las condiciones geotécnicas e hidrogeológicas del terreno en detalle, incluyendo los estratos, la naturaleza del suelo, la dirección del flujo del agua, la naturaleza y profundidad del acuífero, la topografía y la estabilidad del terreno. La pantalla debe estar empotrada en la capa impermeable, como mínimo, en un metro.

Existen distintos procedimientos constructivos para instalar una pantalla de geomembrana, siendo habitual construir una zanja de lodos para luego insertar los paneles de geomembrana a la profundidad deseada. Se puede utilizar un bastidor de acero (Figura 3), un rodillo mecánico (Figura 4) u otros métodos (Figura 5).

Figura 3. Instalación de panel de geomembrana mediante bastidor. https://www.skanska.co.uk/expertise/construction/piling-and-foundations/foundation-techniques/slurry-walls/

Figura 4. Instalación de geomembrana mediante un rodillo (Quian et al., 2018). https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-2224-2_41

Figura 5. Instalación de geomembrana mediante rollo dentro de la zanja de lodos. https://www.geosyntec.com/projects/item/667-suspended-geomembrane-cutoff-wall

Se recomienda un especial cuidado con las juntas de conexión cuando se trata de paneles de geomembranas. Se recomiendan paneles entrelazados con juntas, que se encuentran presoldadas a las láminas, para minimizar las soldaduras in situ. Estas juntas se pueden sellar con un cordón de caucho hidrófilo que se introduce en la junta durante la instalación y que luego se hincha en contacto con el agua (Figura 6).

Figura 6. Instalación de la junta del panel con una cuerda de goma hidrófila (Quian et al., 2018). https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-13-2224-2_41

A continuación os dejo un vídeo ilustrativo sobre la instalación de estas pantallas de geomembranas.

REFERENCIAS:

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. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
QIAN X. et al. (2019) Applications of Geomembrane Cutoff Walls in Remediation of Contaminated Sites. In: Zhan L., Chen Y., Bouazza A. (eds) Proceedings of the 8th International Congress on Environmental Geotechnics Volume 2. ICEG 2018. Environmental Science and Engineering. Springer, Singapore
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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Contención de agua mediante pantallas plásticas de bentonita-cemento

Figura 1. Cuchara bivalva para ejecución de pantalla plástica. https://www.archiexpo.es/prod/franki-foundations-belgium/product-61404-1536843.html

Las pantallas impermeables de bentonita-cemento, también llamadas pantallas blandas, plásticas o de lodo autoendurecible, constituyen barreras al paso del agua subterránea de construcción construcción similar a la de los muros pantalla (Figura 1). Este tipo de muros de estanqueidad se empezaron a utilizar en los años 60, en la mayoría de las ocasiones con un hormigón de bentonita-cemento como relleno de la pantalla, mientras que en España la primera realización data de 1974 (Cañizo et al., 1976). Su función es impermeabilizante, sin responsabilidad estructural, pues no deben resistir esfuerzos de flexión apreciables; por tanto son útiles cuando se trata de impedir el paso del agua pero no se va a realizar una excavación o vaciado anexo.

Se trata de abrir una zanja profunda y estrecha utilizando los procedimientos habituales de los muros pantalla, pero utilizando como fluido de perforación para contener las paredes un lodo de bentonita-cemento, en lugar de simplemente la bentonita. Son pantallas de un espesor entre 0,50 y 1,20 m, con profundidades que pueden llegar a 50 m, pero que son rentables hasta unos 25-30 m. Este procedimiento es más habitual en Europa que en Estados Unidos, donde suele utilizarse las mezclas de suelo y bentonita.

Otra forma de ejecutar este tipo de pantallas es mediante retroexcavadoras con brazos largos, que son efectivas hasta 15-20 m, aunque con brazos especialmente largos puede llegarse a 25-30 m. En otros casos, también se podrían utilizar zanjadoras de brazo inclinable.

Figura 2. Excavación con retroexcavadora para pantalla de bentonita-cemento. https://www.keller.co.uk/expertise/techniques/slurry-cut-walls

La resistencia y la permeabilidad de una pantalla de bentonita-cemento dependen de la dosificación (relación agua/cemento) y del tipo de cemento utilizado. Se trata de mezclar bentonita en la cantidad suficiente para evitar que el cemento decante antes del fraguado. Por cada metro cúbico de mezcla, la dosificación habitual es de 100 a 950 litros de agua, 20 a 80 kg de bentonita, 100 a 400 kg de cemento y de 0 a 5 kg de aditivos. En general se obtienen mayores resistencias con cementos de alto-horno o puzolánico que con cemento portland. Se pueden alcanzar con las mezclas de bentonita-cemento resistencias de 0,10 a 0,30 MPa. Esta mezcla de bentonita y cemento fragua lentamente.

En obra se necesita una planta que mezcle y dosifique el agua, la bentonita y el cemento. Transcurrido el tiempo de mezclado en planta, se manda el material al tajo. Este sistema difiere del tradicional, que deja hidratar previamente la bentonita de 12 a 24 horas; de esta forma, aunque se necesario utilizar algo más de bentonita, nos evitamos montar una planta de gran volumen, con depósitos de almacenaje de bentonita en maduración.

Durante el proceso constructivo es importante garantizar que entre paneles no existen juntas. Si la perforación de dos paneles contiguos es inmediata, se puede ejecutar una pantalla continua, sin juntas; si se retrasa la perforación, se muerde el extremo, aún en estado pastoso para que se adhiera el nuevo lodo y no se forme junta. Se pueden obtener rendimientos típicos de 100 a 150 m²/día.

Figura 3. Ejecución pantalla plástica de bentonita-cemento. https://www.terratest.com/pdf/catalogos/brochure-diaphragm-walls-spain.pdf

La ventaja de estas pantallas, aparte de la impermeabilidad y ausencia de juntas, es su adaptación a grandes deformaciones que pueda provocar el cambio del nivel freático. Además, el coste es relativamente económico debido al consumo reducido de materiales, a la mecanización de las operaciones y a la simplificación de la construcción. Son competitivas frente a otros sistemas como las tablestacas o las pantallas perforadas con hormigón bituminoso. Frente a otros sistemas de coste similar como pantallas de hormigón de arcilla o de suelo mejorado, las pantallas de bentonita-cemento son de mayor calidad, puesto que las anteriores son difíciles de compactar y por la existencia de juntas. Sin embargo, no son viables si se debe excavar en roca o si se debe levantar la pantalla como núcleo de arcilla de forma simultánea a los espaldones de presas de materiales sueltos.

Os dejo un vídeo para que veáis el procedimiento constructivo análogo a la construcción de un muro pantalla.

En este otro caso, se puede ver que la zanja se hace con procedimientos de excavación convencionales.

A continuación os dejo un ejemplo de Geocisa de aplicación de pantallas continuas de cemento-bentonita que han servido para mejorar las condiciones de seguridad y la corrección de filtraciones de la presa Hornotejero, en Cordobilla de Lácara (Badajoz).

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REFERENCIAS:

CAÑIZO, L.; ERASO, A.; AGUADO, J. (1976). La bentonita-cemento y sus aplicaciones. Revista de Obras Públicas, 123(3130):67-76.
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.
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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.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.