Drenaje de excavaciones mediante zanjas perimetrales

Figura 1. Bombeo desde sumidero y zanja perimetral. https://gharpedia.com/blog/dewatering-methods-for-waterlogged-area/

El agotamiento del agua a cielo abierto (open sump pumping) de grandes excavaciones puede realizarse mediante bombeo desde zanjas perimetrales a la excavación (dewatering by constructing drains). Estas zanjas, más profundas que la excavación principal, llevan el agua a unos pozos o sumideros donde una bomba la evacua fuera de la excavación.

En el caso de áreas extensas, incluso se pueden disponer zanjas intermedias, además de las perimetrales. Se trata de un sistema de poca complejidad y, normalmente, de menor coste frente a otros sistemas. El rebajamiento conseguido por este método rara vez supera 1,50 m.

Tanto las zanjas como los sumideros se realizan con maquinaria de excavación convencional. Las bombas deben ser suficientemente robustas como para afrontar el manejo de partículas sólidas y finos. Este sistema presenta problemas con suelos granulares, por su poca estabilidad cuando se encuentran saturados. Se trata de un sistema que solo es útil cuando el volumen de agua aportado por el terreno no es muy alto; sirve en obras pequeñas o rebajes limitados en suelos cementados y arenas gruesas limpias. La zanja drenante se rellena de árido graduado para garantizar su integridad y retener los finos, evitando la erosión del suelo; pero si los suelos son suficientemente estables y cohesivos, no se precisa de dicho relleno.

En el caso de que se deba drenar una cantidad de agua importante, se debe incrementar la sección de la zanja, aumentar la pendiente, e incluso, colocar tuberías horizontales fisuradas dentro de la zanja drenante para favorecer la circulación del agua hacia los sumideros. Antes de disponer los áridos que rodean esta tubería, se coloca una membrana de geotextil para evitar la salida de finos. En ocasiones se pueden omitir las tuberías drenantes, de forma que la parte inferior de la zanja quedaría completamente rellena de material drenante, con unas dimensiones de 0,50 m x 0,50 m (o superior), constituyendo un dren denominado ciego o francés (French drain), cuya construcción se puede observar en la Figura 2.

Figura 2. Dren francés. https://construblogspain.wordpress.com/2014/01/23/dren-frances-ejecucion-y-caracteristicas/

El sistema es adecuado para descensos someros del nivel freático, entre 1 y 2 m, donde el nivel previo al bombeo se encuentre próximo a la superficie del terreno. En efecto, en condiciones de presión atmosférica, el máximo nivel de aspiración real de la bomba se reduce a unos 5 a 6 m. Es por eso que excavaciones a mayor profundidad requeriría de una batería escalonada de bombas o bien utilizar bombas sumergibles.

Figura 3. Sistema de bombeo con zanja perimetral desde pozos abiertos (Pérez-Valcárcel, 2004)

La profundidad de las zanjas y sumideros puede aumentarse a medida que avanza la excavación (Figura 4). El fondo de las zanjas debe mantenerse 0,30-0,60 m por debajo del fondo de la excavación. En excavaciones pequeñas, la profundidad de las zanjas puede ser de 0,30 a 0,60 m con un ancho de 0,40 m y una relación de inclinación de 1:1-1:1,5. También se dispone una pequeña pendiente mínima del 0,5 % para el buen drenaje de la zanja. Los sumideros suelen ser cúbicos, de 1 m de lado. El espaciamiento de centro a centro de los sumideros a lo largo de la línea central de las zanjas puede variar de 20 a  a 30 m. El sumidero final debe ser lo suficientemente profundo como para que, cuando se bombee hacia afuera, se drene toda la excavación. El fondo del sumidero se sitúa entre 0,40 y 1,00 m por debajo de las zanjas. Las paredes del sumidero se pueden reforzar con tablas de madera y otro material. Para evitar el arrastre de partículas finas suele revestirse el sumidero con un material filtrante. El bombeo debe realizarse de forma continua hasta que terminen las operaciones.

Figura 4. Profundización de zanjas perimetrales y sumideros. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-10-0669-2_4

Uno de los problemas del sistema es que la corriente subterránea de agua puede arrastrar partículas finas y aumentar la presión intersticial del terreno colindante, con el consiguiente riesgo de subsidencias o asientos indeseados en estructuras colindantes. Este efecto se acentúa en aquellos terrenos con estratos de arena fina o limo. En casos extremos se podría producir erosión interna, sifonamiento, roturas de fondo o deslizamiento de taludes. Este fenómeno puede producirse cuando las pendientes son pronunciadas o existe un potencial hidráulico elevado. Cuando hay filtración de agua por el talud de la excavación y se tienen taludes poco inclinados, a veces es suficiente proteger la base del talud (batter protection) con una berma de gravas o sacos de arena (Figura 5) para evitar su erosión o fallo por colapso; pero en otros casos, sobre todo en zonas urbanas, el riesgo de inestabilidad de los taludes de la excavación aconseja la construcción de recintos cerrados con muros pantalla o tablestacas y bombear el agua que penetre en el recinto. En este caso resulta imprescindible asegurarse de que no existe levantamiento del fondo, sifonamiento o erosión interna.

Figura 5. Protección de talud mediante sacos de arena. https://grupoivda.com/productos/geobolsas/

A continuación os dejo un vídeo donde os explico los aspectos más destacados de este tipo de drenaje. Espero que os sea de interés.

REFERENCIAS:

 

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Descenso del nivel freático por bombeo: fórmula de Dupuit-Thiem

Figura 1. Agua en excavación. http://www.saboredo.com/el-agua-en-la-obra-civil/

Cuando se quiere construir bajo el nivel freático, es necesario desecar el subsuelo antes de realizar la excavación para permitir que los trabajos se efectúan en condiciones relativamente secas (Figura 1). La ausencia de agua (sin llegar a un estado completamente seco) en la excavación estabiliza el fondo y los taludes, reduce las cargas laterales en los taludes, hace que el material de excavación sea más ligero y fácil de manejar y evita un fondo movedizo y lodoso, muy inconveniente para las actividades posteriores.

Para conservar una excavación libre de agua, en casi todos los tipos de suelos, el nivel freático se debe mantener a una profundidad, por lo menos de 60 cm o, preferentemente, a 150 cm por debajo del fondo de la excavación.

Aunque son los contratistas especializados en este tipo de trabajos los que determinan con mayor detalle las necesidades y los posibles rendimientos de la operación, siempre es necesario un análisis simplificado que definir “a priori” qué equipos serían necesarios y la viabilidad de la operación.

En la Figura 2 se muestra un esquema simplificado de la operación del abatimiento del nivel freático. En él se puede ver cómo varía la depresión en el nivel freático con la distancia al punto de bombeo. Se pueden utilizar pozos de observación o piezómetros a ciertas distancias (como r1 y r2) para controlar la depresión realizada.

Figura 2. Esquema del abatimiento del nivel freático mediante un pozo

El proceso de bombeo es un fenómeno de régimen variable, que evoluciona con el tiempo, hasta llegar a estabilizarse en un régimen permanente. A efectos prácticos, las fórmulas referentes al régimen estable son útiles para estudiar el rebajamiento provisional del nivel freático. El estudio del pozo aislado se realiza planteando el problema con simetría radial. Se supone que a suficiente distancia, las líneas de corriente son horizontales y las equipotenciales son verticales, supuesto que se conoce como hipótesis de Dupuit. Según la fórmula empírica de Sichardt, se puede calcular la distancia R a la cual se supone que termina la influencia del pozo con la siguiente expresión dimensional, donde R se expresa en m, k en m/s y sw es el descenso del nivel freático en el pozo, en m :

Un análisis simplificado del fenómeno implica, tal y como indica Dupuit (Harr, 1962) asumir que (a) para una pequeña inclinación de la línea de filtración, las líneas de flujo son horizontales y (b), que el gradiente hidráulico es igual a la inclinación de la superficie libre y es independiente de la profundidad.

La ecuación que rige el caudal en este caso es la siguiente:

En este caso, se asume que el régimen es permanente en un acuífero libre, siendo toda la capa de terreno homogénea con un coeficiente de permeabilidad hidráulica “k“.

Si se cumple que “q” es constante a lo largo del flujo, la ecuación anterior se puede integrar entre las distancias r1 y r2, obteniéndose la siguiente expresión (fórmula de Dupuit-Thiem):

Por tanto, una vez se ha determinado la extensión de la excavación, usando los parámetros r1, r2, h1 y h2, se puede utilizar la expresión anterior para determinar la capacidad requerida por la bomba. Asimismo, se podría utilizar la expresión anterior para determinar el coeficiente medio de permeabilidad del terreno sabiendo el caudal bombeado.

Es evidente que, en un caso real, existen muchas capas de terreno, con diferentes propiedades, por lo que la ecuación anterior debe particularizarse. Remitimos al lector al trabajo de Cedergreen (1989) para situaciones diferentes a las descritas. También podéis ver algunos problemas resueltos que pusimos en su momento en una entrada anterior.

Referencias

Cedergreen, H.R., 1989, Seepage, Drainage and Flow Nets, John Wiley, New York.

Harr, M., 1962, Groundwater and Seepage, McGraw-Hill, New York.

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