Categoría: hidráulica

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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3
  • 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.

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Contención de agua mediante pantallas de suelo-bentonita

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Descargar (PDF, 1.18MB)

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0

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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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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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.

 

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.
  • 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. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Procedimientos constructivos de pozos profundos para drenaje de excavaciones

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

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

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

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

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

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

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

Referencias:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos filtrantes profundos

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

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

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

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

Se llaman pozos filtrantes pues disponen de una capa de material filtrante de granulometría adecuada para evitar el lavado de finos. Actualmente existen tubos comerciales de plástico ranurado que llevan incorporado en el exterior un filtro prefabricado de arena pegada con resina. Dentro del tubo dren se mete una tubería de aspiración con una válvula de cierre en su parte inferior. Cada uno de estos tubos dren se reúnen en la superficie con una tubería colectora que llega hasta la bomba de aspiración (Figura 1). De este modo, el nivel freático queda deprimido alrededor del pozo, hasta alcanzar un equilibrio entre el caudal de agua achicado por las bombas y la que se introduce en cada pozo debido a la permeabilidad del terreno (Figura 3). Normalmente se dispone de una llave de cierre en cada pozo para desconectar de la red los pozos que se consideren oportunos.

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

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

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

La profundidad del pozo no está limitada teóricamente, pues basta dar al agua la presión necesaria para elevarla hasta la superficie. Se suele dejar un margen de perforación en material permeable por debajo del freático mínimo. Es un sistema de drenaje especialmente útil cuando se necesita un gran descenso del nivel de agua y particularmente adecuado en terrenos que aumentan su permeabilidad con la profundidad, llegando a terrenos granulares. Sirven para terrenos con alta permeabilidad y grandes rebajamientos (k > 10-5 m/s). También son útiles cuando hay que rebajar el nivel freático en terrenos con intercalaciones de gravas limpias u otros estratos muy permeables, que aportan caudales importantes.

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

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

Figura 5. Sección transversal de un pozo filtrante. Elaboración propia basado en García Valcarce et al. (1995).

La ejecución de este drenaje profundo pasa por la instalación, durante la perforación del pozo, de un tubo recubierto por una camisa provisional de acero que se retira posteriormente. Al mismo tiempo que se retira la camisa, se rellena el hueco por un filtro formado con arena y grava con la granulometría adecuada. Este tubo está ranurado a partir de una determinada profundidad y se encuentra recubierto por varios tamices (Figura 5). Por último, se bombea el agua sucia y se instala la bomba sumergible.

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

 

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

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

Por razones económicas, se recomienda estandarizar las dimensiones de perforación a 250 mm (para tuberías de 140 mm) o a 300 mm (para tuberías de 225 mm), pues diámetros mayores requieren perforadoras de mayor tonelaje. Se debe comprobar que el espesor de la capa material permeable, bajo el que debe rebajarse el nivel freático, sea suficiente para garantizar la inmersión eficaz del filtro y de la bomba.

Los pozos se disponen en batería, a una distancia entre ellos que garantice que el rebajamiento del nivel freático sea suficiente para mantener la excavación seca (Figura 6). La separación típica entre ellos se sitúa entre 5 y 70 m, dependiendo del rebaje deseado, de la permeabilidad del terreno, de las fuentes de filtración y de la altura de inmersión disponible para las bombas.

Figura 6. Efecto de la separación entre pozos en la depresión del nivel freático. Elaboración propia basado en Tomlinson (1982).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.
  • YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.
  • YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Drenaje horizontal con pozos radiales

Figura 1. Pozo Ranney. https://infogram.com/obras-de-toma-1g0n2owd8340p4y

Los pozos radiales o de drenes horizontales consisten en diversos tubos perforados horizontales, que se disponen desde un pozo revestido de hormigón, de un diámetro suficiente para permitir el acceso de varios operarios (Figura 1). El objetivo es extender el radio efectivo del pozo para aumentar el caudal específico de drenaje. De hecho, el pozo con drenes horizontales se comporta, considerando aparte las pérdidas de carga interiores, como un pozo vertical de gran radio.

Los pozos horizontales son útiles en suelos donde no se pueden utilizar zanjas drenantes, pozos profundos o wellpoints, no siendo recomendable en suelos estratificados. Es típico en excavaciones profundas a través de terrenos permeables (aluviales y zonas muy karstificadas), hasta llegar a una capa impermeable.

El agua fluye dentro del pozo desde los tubos perforados horizontales, bombeándose el agua al exterior. Los drenes se pueden perforar con cierta inclinación hacia arriba para penetrar en más de un horizonte de acuífero. Estos drenes se colocan mediante martillos neumáticos o por inyección. La longitud de los drenes varía en función del área a drenar, pudiendo variar de 30 a 100 m de longitud.

Figura 2. Esquema de pozo radial. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Según el procedimiento constructivo para instalar los drenes horizontales, se denominan pozos Ranney, Fehlmann o Preussag:

  • Pozos Ranney: las perforaciones radiales se realizan con los mismos tubos filtrantes definitivos, quedando directamente instalados. Son tubos de acero, de paredes gruesas y ranuras alargadas en sentido longitudinal.
  • Pozos Fehlmann: utiliza tubos de perforación, de unos 250-300 mm de diámetro, que se retiran después de la colocación de los filtros, pudiéndose utilizar de nuevo. De esta forma se puede elegir el material y abertura de las ranuras de los tubos filtrantes según las propiedades químicas del agua y con la granulometría y permeabilidad del terreno.
  • Pozos Preussag: emplea tubos de perforación similares al sistema Fehlmann, colocando después prefiltros de arena. A veces la colocación de estos prefiltros puede ser complicada y difícilmente adaptable a posibles variaciones de la granulometría a lo largo del dren.

El procedimiento constructivo presenta dos fases características, la construcción del pozo central e instalación de los drenes horizontales. El pozo central se construye hincando cilindros de hormigón, de unos 3-4 m de diámetro, a medida que se excava. Este cajón se introduce en el suelo por el sistema de “cajones indios“, por excavación interior sin achique previo. Cuando la profundidad del pozo alcanza la cota prevista, se hormigona el fondo construyendo un tapón bajo el agua.

En el caso del sistema Fehlmann, los colectores se hincan con un equipo de empuje instalado sobre una plataforma en el fondo del pozo. Para facilitarla se coloca una punta reforzada, denominada piloto, que desagrega el terreno facilitando el avance. En el interior de estos tubos se colocan los tubos filtrantes, de forma que los tubos estancos se retiran para volverse a utilizar, quedan abandonado en el terreno el piloto. Este tubo con punta reforzada puede comunicar con el interior del pozo central por medio de una tubería auxiliar llamada tubería de desarenado. La presión del agua sobre los agujeros del azuche crea una corriente de agua a gran velocidad por el interior de la tubería de desarenado cuando se abre una válvula en el interior del pozo. Posteriormente durante el servicio de la captación, la cámara sirve como elemento receptor y depósito de los caudales extraídos y para facilitar las maniobras de cierre y apertura de cada dren.

Los rendimientos para construir un pozo de este tipo pueden ser de 5-7 m por semana para el pozo central y de 8-10 m diarios para la penetración de los tubos horizontales.

Figura 3. Hinca de tubería en sistema Fehlmann. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Destacan las siguientes ventajas de los pozos radiales: permiten, para igual velocidad de flujo, caudales superiores a los pozos ordinarios; se puede regular cada colector por separado, pudiendo cerrarlos para el mantenimiento; baja velocidad de entrada del agua a los drenes (hasta 30 veces menor que en los pozos ordinarios), por lo que disminuyen los arrastres; no le afectan tanto las fluctuaciones del nivel freático como a los pozos ordinarios; además, como los drenes permanecen siempre sumergidos, se reducen los fenómenos de corrosión e incrustaciones. Sin embargo, es necesaria una fuerte inversión inicial y un alto grado de especialización en la construcción, con acuíferos no demasiado profundos (aunque hay realizaciones de hasta 70 m). Además, el hincado de los drenes limita su uso a acuíferos granulares poco compactos de granulometría variable.

El rendimiento hidráulico en estos pozos supera de 45 a 60% la producción de un pozo ordinario de diámetro similar, pudiendo llegar, en capas freáticas, a caudales de 200 a 400 l/s. Si los pozos están cerca de un río, el caudal sube de 750 a 1150 l/s.

Se puede estimar el caudal Q (m3/s) de un pozo radial en régimen normal de servicio en función de del radio del pozo r (m), de la altura del agua sobre la solera en régimen normal h (m) y del coeficiente de permeabilidad del terreno k (m/s):

De la ecuación se observa que el caudal depende del radio y de la altura del agua sobre la solera y como no se puede hacer mucho para aumentar esta última, debe actuarse sobre el radio, que puede ser grande.

Os dejo varios vídeos explicativos de este tipo de pozos radiales.

Os dejo a continuación un artículo donde se explica cómo se ejecutó un pozo Ranney, en este caso para aumentar el abastecimiento de agua en Málaga.

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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.
  • 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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Computación cuántica y gemelos híbridos digitales en ingeniería civil y edificación

La ciudad Estado de Singapur desarrolla una copia virtual de sí misma, un proyecto basado en big data, IoT, computación en la nube y realidad virtual. https://www.esmartcity.es/2019/03/22/singapur-gemelo-digital-posibilidades-ofrece-ciudad-inteligente-tener-copia-virtual-exacta

En menos de una década, gran parte de los ingenieros dejarán de hacer proyectos, tal y como lo conocemos ahora, y pasarán a ser gestores de gemelos híbridos digitales de infraestructuras.

Este podría ser un buen titular periodístico que, incluso podría parecer ciencia ficción, pero que tiene todos los visos de convertirse en realidad en menos tiempo del previsto. Se podría pensar que las tecnologías BIM o los modelos digitales actuales ya son una realidad, es decir, se trata de dar un nuevo nombre a lo que ya conocemos y está en desarrollo, pero de lo que estamos hablando es de un nuevo paradigma que va a revolver los cimientos de la tecnología actual en el ámbito de la ingeniería. Voy a desgranar esta conclusión explicando cada uno de los avances y los conceptos que subyacen al respecto.

La semana pasada tuve la ocasión de escuchar la conferencia magistral, en el Congreso CMMoST, de Francisco Chinesta, catedrático en la ENSAM ParisTech e ingeniero industrial egresado por la Universitat Politècnica de València. Trataba de un nuevo paradigma en la ingeniería basada en datos y no era otra que la de los gemelos híbridos digitales, un paso más allá de la modelización numérica y de la minería de datos. Este hecho coincidió con el anuncio en prensa de que Google había publicado en la prestigiosa revista Nature un artículo demostrando la supremacía cuántica, un artículo no exento de polémica, pues parece ser que se diseñó un algoritmo que tiene como objetivo generar números aleatorios mediante un procedimiento matemático muy complejo y que obligaría al superordenador Summit, que es actualmente el más potente del mundo gracias a sus 200 petaflops, a invertir 10.000 años en resolver el problema, que que el procesador cuántico Sycamore de 54 qubits de Google habría resuelto en tres minutos y 20 segundos.

Si nos centramos en la supuesta supremacía cuántica de Google, se debería matizar la noticia al respecto. En efecto, IBM ya se ha defendido diciendo que su ordenador Summit no se encuentra tan alejado, pues se ha resuelto un problema muy específico relacionado con generar números aleatorios y que parece que Sycamore sabe resolver muy bien. De hecho, IBM afirma que ha reajustado su superordenador y que ahora es capaz de resolver ese mismo problema en 2,5 días con un margen de error mucho menor que el ordenador cuántico. Aquí lo importante es saber si esta computación cuántica estará, sin trabas o límites, accesible a cualquier centro de investigación o empresa para resolver problemas de altísima complejidad computacional (problemas NP-hard como pueden ser los de optimización combinatoria). Tal vez los superordenadores convencionales servirán para resolver unos problemas específicos en tareas convencionales, y los cuánticos, imparables en resolver otro tipo de problemas. Todo se andará, pero parece que esto es imparable.

Por tanto, parece que el hardware necesario para la una computación ultrarrápida está o estará a nuestro alcance en un futuro no muy lejano. Ahora se trata de ver cómo ha cambiado el paradigma de la modelización matemática. Para ello podríamos empezar definiendo al “gemelo digital”, o digital twin. Se trata de un modelo virtual de un proceso, producto o servicio que sirve de enlace entre un ente en el mundo real y su representación digital que está utilizando continuamente datos de los sensores. A diferencia del modelado BIM, el gemelo digital no representa exclusivamente objetos espaciales, sino que también podría representar procesos, u otro tipo de entes sin soporte físico. Se trata de una tecnología que, según todos los expertos, marcarán tendencia en los próximos años y que, según el informe “Beyond the hype“, de KPMG, será la base de la cuarta Revolución Industrial.

https://www.geofumadas.com/por-que-usar-gemelos-digitales-en-la-construccion/

Sin embargo, el gemelo digital no es una idea nueva, pues a principios de este siglo ya la introdujo Michael Grieves, en colaboración con John Vickers, director de tecnología de la NASA. Esta tecnología se aplica al Internet de las Cosas, que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con internet. Además, se encuentra muy relacionada con la inteligencia artificial y con la minería de datos “data-mining“. Empresas como Siemens ya están preparando convertir sus plantas industriales en fábricas de datos con su gemelo digital, o General Electric, que cuenta ya con 800.000 gemelos digitales para monitorizar virtualmente la cadena de suministro.

Con todo, tal y como explicó el profesor Chinesta (Chinesta et al., 2018), existe actualmente un cambio de paradigma hacia los gemelos digitales híbridos que, extrapolando su uso, va a significar la gran revolución en la forma de proyectar y gestionar las infraestructuras, tal y como avancé al principio del artículo.

En efecto, los modelos utilizados en ciencia y en ingeniería son muy complejos. La simulación numérica, la modelización y la experimentación han sido los tres pilares sobre los que se ha desarrollado la ingeniería en el siglo XX. La modelización numérica, que sería el nombre tradicional que se ha dado al “gemelo digital” presenta problemas prácticos por ser modelos estáticos, pues no se retroalimentan de forma continua de datos procedentes del mundo real a través de la monitorización continua. Estos modelos numéricos (usualmente elementos finitos, diferencias finitas, volumen finito, etc.) son suficientemente precisos si se calibran bien los parámetros que lo definen. La alternativa a estos modelos numéricos son el uso de modelos predictivos basados en datos masivos big-data, constituyendo “cajas negras” con alta capacidad de predicción debido a su aprendizaje automático “machine-learning“, pero que esconden el fundamento físico que sustentan los datos (por ejemplo, redes neuronales). Sin embargo, la experimentación es extraordinariamente cara y lenta para alimentar estos modelos basados en datos masivos.

El cambio de paradigma, por tanto, se basa en el uso de datos inteligentes “smart-data paradimg“. Este cambio se debe basar, no en la reducción de la complejidad de los modelos, sino en la reducción dimensional de los problemas, de la retroalimentación continua de datos del modelo numérico respecto a la realidad monitorizada y el uso de potentes herramientas de cálculo que permitan la interacción en tiempo real, obteniendo respuestas a cambios paramétricos en el problema. Dicho de otra forma, deberíamos poder interactuar a tiempo real con el gemelo virtual. Por tanto, estamos ante otra realidad, que es el gemelo virtual híbrido.

Por tanto, estamos ahora en disposición de centrarnos en la afirmación que hice al principio. La nueva tecnología en gemelos digitales híbridos, junto con la nueva capacidad de cálculo numérico en ciernes, va a transformar definitivamente la forma de entender, proyectar y gestionar las infraestructuras. Ya no se trata de proyectar, por ejemplo, un puente. Ni tampoco estamos hablando de diseñar un prototipo en 3D del mismo puente, ni siquiera de modelar en BIM dicha estructura. Estamos hablando de crear un gemelo digital que se retroalimentará continuamente del puente real, que estará monitorizado. Se reajustarán los parámetros de cálculo del puente con los resultados obtenidos de la prueba de carga, se podrán predecir las labores de mantenimiento, se podrá conocer con antelación el comportamiento ante un fenómeno extraordinario como una explosión o un terremoto. Por tanto, una nueva profesión, que será la del ingeniero de gemelos virtuales híbridos de infraestructuras será una de las nuevas profesiones que reemplazarán a otras que quedarán obsoletas.

Se tratará de gestionar el gemelo durante el proyecto, la construcción, la explotación e incluso el desmantelamiento de la infraestructura. Se podrán analizar cambios de usos previstos, la utilización óptima de recursos, monitorizar la seguridad, y lo más importante, incorporar nuevas funciones objetivo como son la sostenibilidad económica, medioambiental y social a lo largo del ciclo de vida completo. Este tipo de enfoque es el que nuestro grupo de investigación tiene en el proyecto DIMILIFE. Proyectos como puentes, presas, aeropuertos, redes de carreteras, redes de ferrocarriles, centrales nucleares, etc. tendrán su gemelo digital. Para que sea efectivo, se deberá prever, desde el principio, la monitorización de la infraestructura para ayudar a la toma de decisiones. Además, servirá para avanzar en la aproximación cognitiva en la toma de decisiones (Yepes et al., 2015).

Os paso a continuación un vídeo sobre el uso de los gemelos digitales en la ciudad de Singapur.

A continuación os pongo un vídeo sacado de la página de Elías Cueto, de la Universidad de Zaragoza, en la que vemos cómo se interactúa con un gemelo virtual de un conejo.

 

En este otro vídeo, el profesor Chinesta explica el cambio de paradigma del que hemos hablado anteriormente en el artículo.

¿Qué es la computación cuántica? Aquí tenemos un vídeo de Eduardo Sáenz de Cabezón:

Referencias:

Chinesta, F.; Cueto, E.; Abisset-Chavanne, E.; Duval, J.L. (2018). Virtual, Digital and Hybrid Twins: A New Paradigm in Data-Based Engineering and Engineered Data. Archives of Computational Methods in Engineering, DOI: 10.1007/s11831-018-9301-4

Yepes, V.; García-Segura, T.; Moreno-Jiménez, J.M. (2015). A cognitive approach for the multi-objective optimization of RC structural problems. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 15(4):1024-1036. DOI:10.1016/j.acme.2015.05.001

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Tipología de las estaciones de bombeo

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Las estaciones de bombeo son un elemento fundamental en el conjunto de los sistemas hidráulicos. El conjunto de elementos que, junto con las bombas, sirven para dar y controlar la presión en las instalaciones así como suministrar caudal, se encuentran en la estación de bombeo. Los tipos de estaciones dependen del papel que la misma juegue en el conjunto del sistema, desde las más amplias trayendo agua potable hasta las de pozo o de instalaciones de aguas residuales. En el presente objeto se realiza una panorámica de todas ellas. Veamos la explicación de la profesora: Petra Amparo López Jiménez, de la Universitat Politècnica de València. Espero que os sea de interés.

Referencias:

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.