Conceptos básicos del agua en medio poroso

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

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

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

  • Acuífero: terreno por donde circula el agua. Al límite impermeable inferior del acuífero se le denomina muro y al superior techo. Si el agua se encuentra en contacto con la atmósfera a través de los poros o fisuras existentes en la zona no saturada, se denomina acuífero libre. En cambio, en un acuífero confinado, el techo se encuentra a presión superior a la atmosférica.
  • Acuicludo: formación geológica que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la transmite y, por tanto, no es posible su explotación (caso de terrenos arcillosos).
  • Acuitardo: formación geológica que transmiten muy lentamente el agua, por lo que tampoco son aptos para la captación. Sin embargo, en condiciones especiales, permiten una recarga vertical de otros acuíferos. Es el caso de un estrato de arcillas limosas o arenosas.
  • Nivel freático: lugar geométrico de los puntos donde la presión del agua es la atmosférica. Es el nivel que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en libre comunicación con los vacíos del suelo in situ. Por encima del nivel freático existe el agua capilar donde su presión es menor que la atmosférica. En un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico, que si se encuentra por encima de la superficie del terreno, se dice que existen “condiciones artesianas”.
  • Coeficiente de almacenamiento: cantidad de agua que cede un prisma de acuífero de base cuadrada unitaria cuando se le deprime la unidad. Es adimensional. Su valor oscila normalmente entre 0,2 y 0,4 en acuíferos libres, oscilando entre 10-5 y 10-3 en los acuíferos cautivos y semiconfinados, al entrar en juego los efectos mecánicos del terreno o de la propia agua.
Figura 2. Esquema de acuífero libre y confinado (Bouwer, 1987)
  • Porosidad: porcentaje del volumen total de un suelo o roca que está ocupado por poros. Estos poros estarán rellenos de agua si el material está saturado, o de aire y agua si no lo está. Si solo se considera el volumen de los poros que están interconectados, se denomina “porosidad eficaz”. En los acuíferos libres el coeficiente de almacenamiento coincide con la porosidad eficaz.
  • Índice de poros o huecos: razón entre el volumen de poros y el volumen de sólidos.
  • Humedad: relación entre el peso del agua que contiene un suelo y el peso del suelo seco.
  • Grado de saturación: porcentaje del volumen de huecos ocupados por el agua.
  • Carga hidráulica total: también llamado potencial, es la energía por unidad de peso (expresada como una altura) en un determinado punto de un fluido en movimiento. Donde H es la carga hidráulica total, z la altura geométrica, u/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.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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