En un artículo anterior, dentro de los conceptos básicos del agua en medio poroso, se definió la ley de Darcy como una ley experimental que define el movimiento de filtración en un medio poroso saturado. Dicha ley dice que la velocidad del fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico a través del coeficiente de permeabilidad.
Dicho coeficiente 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. A esa velocidad se llama velocidad del flujo o velocidad de Darcy.
Sin embargo, ¿estamos seguros de que se cumplen siempre estas condiciones? ¿Cuáles son los límites de validez de la ley de Darcy?
Se ha supuesto que el movimiento del agua a través de los huecos del suelo es un flujo laminar, es decir, un movimiento ordenado, estratificado o suave. En estas condiciones, el fluido se mueve en láminas paralelas que no se entremezclan y cada partícula de fluido sigue una trayectoria suave, denominada línea de corriente. Esto es así al cumplirse las condiciones de pequeño diámetro de los huecos de la red intersticial y la pequeña velocidad del flujo, que conducen a un número de Reynolds notablemente inferior al crítico. Este número es adimensional, siendo pequeño para flujos laminares y alto para flujos turbulentos. Así, para gradientes hidráulicos elevados, la ley de Darcy no es aplicable, pues la pérdida de carga hidráulica aumenta más rápido que el caudal debido a que el flujo en los huecos pasa de laminar a turbulento.
A partir de numerosos ensayos y por analogía con la hidráulica (Iglesias, 1997), aquí podemos definir el número de Reynolds, R, de la siguiente forma:
donde v es la velocidad del flujo, d es el diámetro medio de los granos, η es el coeficiente de viscosidad del agua y ρ es la densidad del agua.
La linealidad de la ley de Darcy se cumple para R<10. No obstante, la validez de la ley de Darcy es muy habitual en los casos reales, salvo en suelos muy permeables y en las proximidades de algunas captaciones bombeando caudales elevados. Un ejemplo donde no se sigue la ley de Darcy son en las formaciones kársticas. No obstante, con velocidad de flujo muy pequeña, existe un efecto de inercia que limita el flujo laminar que modifican los resultados obtenidos por la ley de Darcy. Sería el caso de la absorción de moléculas de agua que no pueden ser arrastradas por la pequeña velocidad del flujo. Este efecto es más acusado en suelos cohesivos, debido a la presencia de la doble capa alrededor de las partículas del suelo.
Referencias:
IGLESIAS, C. (1997). Mecánica del suelo. Editorial Síntesis, Madrid, 590 pp.
Figura 1. Grupo de jóvenes sobre el acueducto de la Cartuja de Porta Coeli, sobre 1930. Imagen cedida por Juan M. Ferrando.
Hace unos días recibí un correo de Juan M. Ferrando, profesor ya jubilado, que es licenciado en Arqueología y que me pasó una fotografía del año 1930 aproximadamente. Me pedía muy amablemente que pudiera identificar el acueducto sobre el que un grupo de jóvenes, entre ellos su padre, aparecían posando. Al cabo de un rato, si apenas darme tiempo a buscar dicho acueducto, me contestó diciendo que había identificado la fotografía como la Cartuja de Porta-Coeli, situada en el término municipal de Serra, en la comarca del Campo de Turia, en la provincia de Valencia. Muy amablemente me dio su permiso para utilizar dicha fotografía en algún artículo que pudiese escribir sobre el acueducto en mi blog. Quedo muy agradecido y, de hecho, le dedico a este Bien de Interés Cultural del siglo XV unas líneas.
Figura 2. Acueducto de Portacoeli. https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Acueducto_de_Portacoeli_-_panoramio.jpg
Se trata de una estructura construida en 1412, de más de 200 m, de doce arcos apuntados de sillería, que se recrecen de tapial hasta su parte superior. Por el acueducto discurre una acequia de unos 1,50 m que conduce agua desde “La Fuente de la Mina” a una antigua balsa de la Cartuja, salvando un desnivel de 17 m. Se conserva como se construyó originalmente.
La Cartuja es un monasterio de la orden de San Bruno, de grandes dimensiones. El monasterio se levantó sobre los restos de un pequeño asentamiento musulmán. Se diseñó en estilo gótico a finales del siglo XIII, aunque actualmente la mayoría del complejo es de estilo neoclásico. Se trata del primer monasterio de los cartujos construido en territorio valenciano, fundado en 1272 por el obispo de Valencia Andrés de Albalat para albergar a unos cartujos procedentes del Priorato de Scala Dei (Tarragona).
En torno al acueducto existen historias y leyendas, como la del espíritu de una doncella que cruzaba el acueducto por la noche para ver a su amado, un monje de la cartuja. En esta leyenda se inspiraron poemas y novelas. Incluso se rodó una película muda “El monje de Portacoeli”, dirigida por Ramón Orrico y producida por “Levante Films” en 1925.
Por Resolución de 5 de octubre de 2005, la Dirección General de Patrimonio Cultural Valenciano, acuerda continuar con los trámites para la declaración como bien de interés cultural, a favor de la Cartuja de Portaceli. Por Decreto 164/2006, de 27 de octubre, el Consell lo declara Bien de Interés Cultural, con la categoría de Monumento.
Figura 3. http://www.rutasjaumei.com/es/que-ver-en-serra/242/serra-cartuja-de-porta-coeli.php
Os dejo a continuación un vídeo sobre el monasterio cartujo. Espero que os guste.
Figura 1. Inyección de impregnación. https://www.bacsol.co.uk/solution/permeation-grouting/
Los morteros estables son suspensiones en agua que no producen sedimentación durante un periodo dilatado de tiempo cuando se inyectan en el terreno (mínima exudación) y que tampoco producen el efecto bóveda al llegar a los intersticios. Esta propiedad permite que no se vayan cerrando las fisuras y se pueda aumentar a la vez la presión. Por eso se puede inyectar a baja presión, reduciendo el caudal lo necesario. Las lechadas estables son económicas en el caso de gravas y arenas finas, pues si los granos son demasiado finos (inferiores a 1 o 2 mm), el cemento no podrá penetrar en los huecos. También resultan convenientes para el taponamiento de grandes fisuras en macizos rocosos.
La estabilidad de una mezcla de inyección, que se refiere a la propiedad de mantener los granos de cemento en suspensión, es relativa, pues la estabilidad es suficiente si mantiene estas características durante la inyección. Normalmente se determina en el laboratorio la estabilidad mediante una prueba de sedimentación o de decantación. El artículo 676 del Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras considera que una suspensión es estable si cuando se coloca un litro en un cilindro graduado, al cabo de cuatro horas, el volumen superior de agua clara que sobre nada es inferior al 4% del volumen total.
Una mezcla con una fuerte dosificación de cemento consigue una sedimentación nula, pero es un fluido muy viscoso y no se puede inyectar (Cambefort, 1968), por lo que es necesario un estudio de laboratorio que permita conocer las proporciones adecuadas de cemento con otros componentes como la bentonita, que presenta propiedades coloidales, y aditivos, con propiedades estabilizadoras en función del peso del cemento.
Una mezcla estable se puede conseguir con una lechada de cemento activada. Se consigue de esta forma una dispersión óptima del cemento, bien por vía química con la utilización de aditivos, o bien por vía física con calentamiento y sobreagitación. Sin embargo, también se puede conseguir una suspensión estable con una mezcla de arcilla, fundamentalmente bentonita y silicato con cemento. Estas últimas lechadas, además de no sedimentar, presentan un fraguado muy lento, superior a las 24 horas.
Las suspensiones estables son, por lo general, una combinación de arcilla, cemento y arena que proporciona impermeabilidad una vez han endurecido. Tanto si la suspensión es estable o inestable, estas lechadas presentan una baja resistencia al corte por sí solas, por lo que al combinarla con las partículas del suelo se incrementa la resistencia al corte de la masa. Ello se debe a que una vez el fluido comienza a solidificarse, se generan fuerzas capilares en los granos, densificando el terreno y disminuyendo el volumen de huecos.
Es importante inyectar a baja presión en zonas a 5-10 m para evitar resurgencias y levantamientos. No obstante, como esta baja presión y la débil sedimentación no abren las fisuras, por ejemplo, en un macizo rocoso, resulta de interés inyectar un mortero inestable a alta presión después del fraguado del mortero estable. También es muy común, tras inyectar una lechada estable en gravas o arenas, inyectar una lechada inestable para rellenar los pequeños huecos que quedan de la casi despreciable sedimentación de la primera suspensión, así como un lavado a presión del macizo rocoso.
Las mezclas funcionan prácticamente a viscosidad constante, como verdaderos fluidos que se podrían bombear indefinidamente, por lo que se debe controlar la admisión de material, más que la presión. Ello se debe a que este tipo de inyecciones presentan un fraguado muy lento, no hay sedimentación de mortero ni taponamiento de huecos, por lo que el volumen de mortero estable inyectado no está limitado por los aumentos de presión tal y como ocurre con los morteros inestables. Por tanto, el sistema requiere cerrar el recinto a inyectar mediante taladros previos de contorno, avanzando el tajo de forma centrípeta.
Dentro de los morteros estables, se pueden distinguir los siguientes tipos, García Valcarce et al. (2003) distingue los siguientes tipos: bentonita-cemento, cemento-silicato, cemento-bentonita-silicato, cemento activado, suspensiones de arcilla, arcilla-cemento y arcilla-cemento-arena.
Si atendemos a los grupos más destacados de suspensiones estables, distinguimos los siguientes (Bielza, 1999):
Mezclas de cemento-bentonita: La bentonita constituye el principal aditivo para mejorar la estabilidad y penetración de la lechada de cemento. La bentonita es capaz de reducir la sedimentación de las partículas de mayor tamaño que componen la mezcla, y además reduce su coste aumentando el volumen de la lechada. Las lechadas de cemento y bentonita son útiles en la inyección de depósitos de gravas y arenas gruesas. Para estabilizar totalmente un cemento de inyección se precisa entre un 2 y un 5% de bentonita sódica; no debe superarse estas proporciones para no obtener productos esponjosos con baja resistencia a compresión y fraguado lento. La relación cemento/agua, en peso, varía de 1 a 2 para un 2% de bentonita, en cuyo caso la sedimentación es nula si c/a ≤ 1,4. Este rango varía de 1 a 1,7 para un 4% de bentonita, en cuyo caso la decantación es nula. La bentonita actúa como lubricante debido a su finura, lo que permite bombear suspensiones con una baja relación a/c, quedando rellenos los huecos o poros en una sola operación. Hay que tener presente que la adición de bentonita baja la resistencia e incrementa la plasticidad de la mezcla. Por otra parte, a veces se puede separar la bentonita del cemento, lo que puede ocasionar algunas fracturas rellenas solo de bentonita. Si es terreno es muy permeable, se puede añadir a la lechada silicato de sodio en 1 a 2% en relación al peso del cemento para acelerar el fraguado. Sin embargo, la dosificación debe determinarse en laboratorio.
Mezclas de cemento-silicato: Si se añade silicato de sodio a un mortero de cemento, se aumenta la rigidez, siendo esta mejora tanto más importante cuanto más fuerte es la dosificación del cemento. Además, si este tipo de mezcla permanece en reposo, la rigidez crece con el tiempo. Esto es muy evidente al cabo de una hora, donde existe una aceleración del fraguado del cemento debida al silicato. Estos morteros no son homogéneos, pues el silicato forma grumos. Para evitar estos grupos, sería necesario un periodo muy largo de agitación, por lo que son morteros que se utilizan poco.
Mezcla de cemento-bentonita-silicato: La adición de bentonita a una lecha de cemento retarda el fraguado y disminuye la resistencia mecánica, pero proporciona, como se ha visto anteriormente, un mortero homogéneo. El silicato acelera el fraguado pero produce un mortero grumoso. Por tanto, resulta interesante combinar ambos productos. La combinación da un mortero homogéneo que tiene una rigidez inicial más importante que solo con la bentonita, teniendo un comportamiento claramente tixotrópico.
Mortero de cemento activado: Una dosificación fuerte de cemento hace más débil la decantación, llegando incluso a una decantación nula. El problema es que este mortero no podría inyectarse. Sin embargo, con ciertos tratamientos, se obtiene la defloculación de los coloides de la suspensión y se obtienen morteros activados. Esta activación permite inyectar morteros de elevada dosis en cemento, que tengan una ligera o nula sedimentación. Además, esta activación hace el mortero menos deslavable y prácticamente no miscible en el agua.
Suspensiones de arcilla-cemento o inyecciones en suspensión: Es una mezcla compuesta de cemento portland, con una relación a/c entre 10 y 2,5 y lodo de arcilla. La arcilla aumenta el contenido de finos y mejora la penetrabilidad de la suspensión en el terreno, economizando cemento y mejorando la estabilidad y viscosidad de la suspensión como consecuencia de la capacidad de la arcilla para formar geles. La arcilla disminuye la sedimentación y la pérdida de agua de la suspensión. La estabilidad mejora con la calidad de la arcilla y con su proporción en la mezcla. El límite líquido y el índice de plasticidad de la arcilla deben ser inferiores a la de la bentonita (es decir, la arcilla no debe ser montmorillonita). Esta arcilla no afecta tanto a la viscosidad como la bentonita, por lo que se puede añadir a la mezcla en una mayor proporción. Además de la arcilla, se puede agregar arena, serrín, polivinilo, celofán o poliéster para mejorar sus propiedades. Las lechadas de arcilla-cemento son las más adecuadas para la impermeabilización, además de utilizarse en rocas fisuradas, incluso siendo muy porosas o presentando grandes cavidades. También se usan en suelos de una permeabilidad superior a 10-3 m/s, como es el caso de terrenos aluviales gruesos, siendo adecuados como pretratamiento. En estos casos la merma de fluidez que aporta las gruesas partículas de cemento no es tan trascendente, pues se utilizan en terrenos suficientemente permeables.
Mezclas de cemento especial (microcemento): Se utiliza el polvo de cemento microfino con una finura alrededor de 1,7 veces menor que la del cemento portland ordinario. Ello provoca una mayor superficie específica que mejora las propiedades físicas y reológicas, como la viscosidad y su evolución con el tiempo, el rendimiento, la resistencia a corte y la capacidad de penetración al emplear el microcemento con un agente dispersante. Es necesario en este tipo de mezclas un agente dispersante para que las partículas y los flóculos se mantengan entre 1 y 20 μm. Son mezclas muy útiles en la inyección de todo tipo de cimentaciones, especialmente en túneles y presas, pero son de muy elevado coste, comparable con el de las mezclas químicas. Las lechadas de microcemento pueden penetrar en arenas medias, pudiendo resistir umbrales de gradiente hidráulico superiores a 260. A diferencia de las mezclas químicas, con una capacidad de penetración similar, proporciona al medio una mayor resistencia adherente.
Suspensiones de arcilla: La penetrabilidad de las suspensiones de arcilla es función de su proceso de defloculación, que está regida por los coloides. Las consecuencias de la floculación es que las suspensiones presentan un tamaño demasiado grande, aumenta la viscosidad y por tanto disminuye la penetrabilidad. La arcilla que se inyecta debe presentar un límite líquido superior a 60. En caso contrario, se deben añadir coloides.
Suspensiones de arcilla-cemento-arena: La adición de arena a un mortero de cemento estable da un mortero inyectable. A más dosificación de arena, más fácil es que permanezcan en suspensión los granos más gruesos.
En la actualidad, las inyecciones de cemento con bentonita en cimiento de presas se está reemplazando por un sistema, ideado por Lombardi y Deere en 1993, denominado método GIN (Ground Intensity Number). Las características básicas de este sistema es que las lechadas de inyección no pueden llevar bentonita que evita la decantación, sino superfluidificantes que bajen la viscosidad, bajen la cohesión y asimilen la lecha a un fluido de Bingham. De esta forma se tiene una única mezcla de lechada para todo el proceso de inyección. Por otra parte, para reducir el riesgo de hidrofracturación, además de limitar la presión y el volumen inyectado, el intervalo de inyección se restringe por la hipérbola P·V=cte. La idea es que la finalización de la inyección basada en alcanzar una presión de cierre o un volumen de cierre estaba muy del lado de la seguridad. Este método se puede aplicar tanto a la inyección por tramos descendente, como ascendente, así como mediante el uso del tubo-manguito. El método GIN no solo es una forma de definir y seleccionar el valor de la intensidad de las inyecciones, sino que se considera como una práctica referida a la inyección de masas rocosas fisuradas para mejorar su resistencia y reducir su deformabilidad y permeabilidad.
Referencias:
BELL, F.G. (1993). Engineering treatment of soils. E & F Spon, Londres.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp. POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
Figura 1. Construcción de la ataguía en la represa de Salto Grande, sobre el río Uruguay. http://saltograndelaobra.blogspot.com/
Las ataguías de tierra son diques que se usan en obras que tengan suficiente espacio y que dispongan de materiales adecuados (Figura 1). Son idóneas para pequeñas alturas de agua (sobre 3 m) que no estén en movimiento. El material no debe contener tierra vegetal y se debe compactar para lograr la mayor impermeabilidad y estabilidad.
Se suelen usar taludes de 3/2 en el paramento de aguas arriba y de 2/1 en el de aguas abajo, con un ancho de coronación de al menos 1,50 m (Figura 2). Se preverá también una altura mínima de 1 m sobre las crecidas normales. Si el talud de la ataguía se somete a un flujo hidráulico, se debe proteger mediante un pedraplén o cualquier otro procedimiento que impida la socavación; pero en este caso hay que sopesar el coste económico de este recubrimiento frente a otros procedimientos constructivos.
Figura 2. Ataguía de tierra para contención de agua
Un mismo material puede ser idóneo o no en función de cómo se construya la ataguía. Por ejemplo, si se utiliza una arcilla que ha de descargarse bajo el agua, el ablandamiento que va a experimentar impedirá conseguir pendientes estables. En cambio, este mismo material dispuesto en seco y correctamente compactado es muy adecuado por su baja permeabilidad. Se pueden disponer también núcleos de material impermeable y dejar los lados con otro material, incluso escollera si se quiere proteger de las corrientes de agua.
En el caso de no ser suficiente la impermeabilidad del material empleado, también es posible una ataguía mixta colocando una tablestaca en el centro de la ataguía de tierra (Figura 3). Las tablestacas se atornillan en cabeza a un perfil metálico que las enlaza.
Figura 3. Ataguía mixta de tierra y tablestacas
Puede reducirse el espacio ocupado por la ataguía si se respalda la ataguía con un macizo de tierras aguas abajo, siempre y cuando las tablestacas presenten resistencia suficiente a los empujes (Figura 4). En este caso, es conveniente evitar las socavaciones de las tablestacas disponiendo escollera a su pie, aguas arriba.
Figura 4. Cortina de tablestacas y macizo de tierras aguas abajo
Aún se podría minimizar el espacio ocupado si utilizamos dos cortinas de tablestacas y entre ellas construimos un macizo de tierras que de estabilidad al conjunto, y que mejore la estanqueidad de las cortinas si el material es arcilloso (Figura 5). En este caso, también se dispone escollera aguas arriba y una berma de tierras aguas abajo.
Figura 5. Ataguía con doble cortina de tablestacas, con berma incluida
Siempre que se utilicen tablestacas, se debe garantizar su estabilización mediante apuntalamiento, arriostradas por tirantes, anclajes o cualquier otro procedimiento. Además, el empotramiento deberá ser suficiente para soportar los empujes, contener el flujo hidráulico y evitar el fenómeno del sifonamiento, entre otros. Hay que tener presente que el nivel freático desciende más rápido en el interior de la tablestaca que en el exterior, lo cual implican gradientes hidráulicos que pueden desestabilizar el fondo. Se recomienda cubrir el fondo de la excavación con una capa de arena y de grava. El agua que queda contenida en el recinto debe ser evacuada, normalmente por bombeo.
Cuando no se tenga la necesidad de crear recintos estancos, sino zonas de aguas tranquilas, no hay necesidad de crear ataguías impermeables, pues su función es únicamente romper la corriente o el oleaje. En estos casos se pueden utilizar las ataguías de escollera y de gaviones. En este último caso, se pueden usar también como protección del espaldón las ataguías (Figura 6).
Figura 6. Gaviones usados como protección de una ataguía. https://www.gabion-cage.com/technology/galvanized-steel-gabion-cofferdam.html
En la Figura 7 se puede observar una ataguía formada por sacos de arena.
Figura 7. Ataguía formada por sacos de arena. http://www.shdarun.com/WebPage_set/Page-ShowText.asp?id=2540&Language=cn
Las ataguías de escollera (rock-fill cofferdam) se construyen de forma similar a las ataguías de tierra, pero con la posibilidad de pendientes más pronunciadas. La escollera se dispone de forma que los huecos se pueden rellenar parcialmente con tierra y material granular. Si se quiere conseguir impermeabilidad, tanto la coronación como la pendiente aguas arriba requieren de una membrana impemeabilizante protegida con un pedraplén para proteger la ataguía contra el oleaje. La altura puede ser de hasta 3 m, con una pendiente entre 1:1,5 y 1:1,25. En caso de rebase por oleaje, el daño no es tan importante como en el caso de ataguías de tierra. Esta tipología se utiliza si la escollera está disponible en las cercanías.
Figura 8. Sección de ataguía de escollera. https://theconstructor.org/water-resources/types-of-cofferdams-construction-details/13807/
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.
Figura 1. Ejecución de muro pantalla. https://spezialtiefbau.implenia.com/
En muchas obras realizadas bajo el terreno puede ser necesario el empleo de procedimientos constructivos para impedir que el agua llegue al tajo (exclusion methods).
Estos procedimientos se pueden utilizar por sí solos o bien combinados con técnicas de agotamiento o rebajamiento del nivel freático.
Lo habitual es que estas barreras lleguen, en la medida de lo posible, tal y como se observa en la Figura 2, a las capas de muy baja permeabilidad (arcillas o rocas no fracturadas).
Figura 2. Pantalla impermeable en presa de materiales sueltos.
Estos métodos se pueden agrupar en tres categorías (Cashman y Preene, 2012):
Barreras o muros de muy baja permeabilidad que se hincan o construyen en el terreno, tales como tablestacas o muros pantalla.
Procedimientos que reducen la permeabilidad del terreno in situ (como la inyección y la congelación artificial del suelo)
Procedimientos que utilizan la presión de un fluido en cámaras confinadas para contrarrestar las presiones intersticiales (como las cámaras de presión de tierras en tuneladoras)
Las barreras hincadas, como las tablestacas, desplazan el terreno y, por tanto, afectan menos al terreno adyacente. En cambio, las barreras excavadas, como los muros pantalla, implican un vaciado que se debe sustituir por la propia barrera. Las barreras formadas por inyección bloquean el flujo del agua subterránea. Por otra parte, la congelación del suelo forma una barrera con el agua intersticial helada. De todas formas, la selección del método más adecuado dependerá de las condiciones de la obra, sin descartar la combinación de varios procedimientos. Además, algunas estructuras de contención pueden formar parte de la estructura definitiva, como es el caso de los sótanos de edificación.
La forma más habitual de utilizar estos procedimientos de contención del agua es la construcción de un muro impermeable alrededor del perímetro de excavación que penetre hasta la capa de baja permeabilidad, tal y como se observa en la Figura 3.
Figura 3. Contención de agua con muros pantalla que llegan a capa de baja permeabilidad. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
Los costes y la aplicabilidad de una pantalla impermeable depende en gran medida de la profundidad y de la naturaleza de los estratos subyacentes. Si no existe una capa de baja permeabilidad o bien se encuentra a gran profundidad, las filtraciones pueden desestabilizar el fondo de la excavación. En estos casos se deben combinar las barreras con el bombeo (Figura 4a) o bien construir un tapón o barrera horizontal (jet-grouting, por ejemplo) para evitar las filtraciones (Figura 4b).
Figura 4. Combinación de pantallas con (a) bombeo convencional o (b) con barreras horizontales. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
Uno de los aspectos más interesantes de las barreras de contención es que modifican en menor medida el nivel freático alrededor de la excavación frente a los bombeos convencionales. Ello implica menores incidencias en estructuras próximas, fundamentalmente por subsidencias.
No obstante, uno de los problemas a evitar son las fugas a través de las barreras. Estas filtraciones pueden interferir en los trabajos del tajo y, por tanto, son necesarios sumideros y drenajes; pero otra posibilidad más grave son los sifonamientos localizados (Figura 5) o asentamientos por encima de los previstos.
Figura 5. Sifonamiento localizado por defectos puntuales en un muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).
Las aplicaciones que hemos visto anteriormente (Figuras 1 a 5) son las más habituales, con barreras o muros verticales alrededor de una excavación. Sin embargo, algunos procedimientos como las inyecciones o la congelación del suelo, pueden utilizarse en geometrías no verticales (Figuras 6a y 6b), e incluso para sellar la base de las excavaciones (Figura 4b).
Figura 6. Barreras inclinadas y barreras horizontales en túnel. Adaptado de Cashman y Preene (2012)
A continuación os dejo un folleto de la empresa Implentia sobre barreras de contención que puede complementar la información sobre las barreras de contención al agua.
CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 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.; 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.
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 dejo a continuación un vídeo que os he grabado explicando las galerías de drenaje. Espero que os guste.
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.
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/γw la altura de presión, siendo u la presión del agua en el punto considerado y γw 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 hr, 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 ki y un espesor ei . El caudal equivalente será la suma de los caudales, por lo que la permeabilidad equivalente, kh vale lo siguiente:
Permeabilidad equivalente vertical: el flujo atraviesa verticalmente un conjunto de n estratos, con una permeabilidad cada uno de ki y un espesor ei . El caudal a lo largo de los estratos, y cada estrato tendrá un gradiente distinto ii,por lo que igualando las pérdidas de carga y despejando, obtenemos la permeabilidad equivalente kv , 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.
Figura 4. Esquema de la ley de Darcy
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.
Figura 5. Red de flujo bajo una presa
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.
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.
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 115 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.
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.
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.
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.
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.
