Procedimientos para la contención del agua

Figura 1. Ejecución de muro pantalla. https://spezialtiefbau.implenia.com/

En muchas obras realizadas bajo el terreno puede ser necesario el empleo de procedimientos constructivos para impedir que el agua llegue al tajo (exclusion methods).

Estos procedimientos se pueden utilizar por sí solos o bien combinados con técnicas de agotamiento o rebajamiento del nivel freático.

Se trata de métodos basados en barreras o pantallas (ground water cutoff structures) tales como ataguías, tablestacas, muros pantalla (Figura 1), pantallas de pilotes secantes, pantallas de lodo, jet-grouting, barreras de inyección, pantallas pláticas, pantallas de suelo estabilizado in situ, o congelación del terreno.

Lo habitual es que estas barreras lleguen, en la medida de lo posible, tal y como se observa en la Figura 2, a las capas de muy baja permeabilidad (arcillas o rocas no fracturadas).

Figura 2. Pantalla impermeable en presa de materiales sueltos.

Estos métodos se pueden agrupar en tres categorías (Cashman y Preene, 2012):

  • Barreras o muros de muy baja permeabilidad que se hincan o construyen en el terreno, tales como tablestacas o muros pantalla.
  • Procedimientos que reducen la permeabilidad del terreno in situ (como la inyección y la congelación artificial del suelo)
  • Procedimientos que utilizan la presión de un fluido en cámaras confinadas para contrarrestar las presiones intersticiales (como las cámaras de presión de tierras en tuneladoras)

Las barreras hincadas, como las tablestacas, desplazan el terreno y, por tanto, afectan menos al terreno adyacente. En cambio, las barreras excavadas, como los muros pantalla, implican un vaciado que se debe sustituir por la propia barrera. Las barreras formadas por inyección bloquean el flujo del agua subterránea. Por otra parte, la congelación del suelo forma una barrera con el agua intersticial helada. De todas formas, la selección del método más adecuado dependerá de las condiciones de la obra, sin descartar la combinación de varios procedimientos. Además, algunas estructuras de contención pueden formar parte de la estructura definitiva, como es el caso de los sótanos de edificación.

La forma más habitual de utilizar estos procedimientos de contención del agua es la construcción de un muro impermeable alrededor del perímetro de excavación que penetre hasta la capa de baja permeabilidad, tal y como se observa en la Figura 3.

Figura 3. Contención de agua con muros pantalla que llegan a capa de baja permeabilidad. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Los costes y la aplicabilidad de una pantalla impermeable depende en gran medida de la profundidad y de la naturaleza de los estratos subyacentes. Si no existe una capa de baja permeabilidad o bien se encuentra a gran profundidad, las filtraciones pueden desestabilizar el fondo de la excavación. En estos casos se deben combinar las barreras con el bombeo (Figura 4a) o bien construir un tapón o barrera horizontal (jet-grouting, por ejemplo) para evitar las filtraciones (Figura 4b).

Figura 4. Combinación de pantallas con (a) bombeo convencional o (b) con barreras horizontales. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

Uno de los aspectos más interesantes de las barreras de contención es que modifican en menor medida el nivel freático alrededor de la excavación frente a los bombeos convencionales. Ello implica menores incidencias en estructuras próximas, fundamentalmente por subsidencias.

No obstante, uno de los problemas a evitar son las fugas a través de las barreras. Estas filtraciones pueden interferir en los trabajos del tajo y, por tanto, son necesarios sumideros y drenajes; pero otra posibilidad más grave son los sifonamientos localizados (Figura 5) o asentamientos por encima de los previstos.

Figura 5. Sifonamiento localizado por defectos puntuales en un muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004).

Las aplicaciones que hemos visto anteriormente (Figuras 1 a 5) son las más habituales, con barreras o muros verticales alrededor de una excavación. Sin embargo, algunos procedimientos como las inyecciones o la congelación del suelo, pueden utilizarse en geometrías no verticales (Figuras 6a y 6b), e incluso para sellar la base de las excavaciones (Figura 4b).

Figura 6. Barreras inclinadas y barreras horizontales en túnel. Adaptado de Cashman y Preene (2012)

A continuación os dejo un folleto de la empresa Implentia sobre barreras de contención que puede complementar la información sobre las barreras de contención al agua.

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REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater lowering in construction. A practical guide to dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater control: design and practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • 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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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos eyectores

Figura 1. Bombeo desde pozos eyectores. https://wjgroup.org/our-services/ejector-dewatering/

El sistema de pozos eyectores combina las ventajas de los pozos profundos y de las lanzas de drenaje (wellpoints), pero con algunas desventajas. Los pozos profundos precisan un diámetro suficiente para alojar en su interior una bomba sumergible, con el coste correspondiente, además, presentan una relativa fragilidad que puede solucionarse con el sistema de pozos profundos con eyectores. En este caso, la elevación del agua se realiza inyectando agua a alta presión hasta el fondo del sondeo, donde el efecto venturi succiona el agua y la eleva al exterior. Trabaja por succión, pero a diferencia de los wellpoints, ésta se produce en el fondo del pozo. La ventaja respecto a los pozos profundos es que los eyectores presentan un diámetro pequeño. Las bombas de presión se sitúan en superficie y son del tipo normal, lo cual resulta de interés por su fácil vigilancia y facilidad de mantenimiento y sustitución. Además, a diferencia de las electrobombas sumergibles, que pueden quemarse rápidamente si funcionan en seco, los eyectores pueden bombear mezclas de aire y agua sin problemas. Por tanto, el coste unitario de los eyectores es significativamente menor que el de los pozos profundos, por lo que pueden utilizarse en espaciamientos más pequeños cuando las condiciones son adecuadas.

La desventaja es su rendimiento energético bajo y su aplicabilidad se centra en caudales bajos. En efecto, en suelos con cierta cantidad de finos, con más del 5%, los métodos de drenaje gravitacionales son muy lentos y los conos de depresión tardan en formarse. Por tanto, el sistema es adecuado cuando se quiere rebajar el nivel freático en terrenos de baja permeabilidad (limo o arena fina) a más de 5 m, que sería el límite de un wellpoint de una sola etapa. En estos terrenos con conductividad tan baja, el uso de vacío garantiza un mejor drenaje del suelo. Además, si la columna del filtro en el pozo se sella con bentonita, el vacío se transmite por entero al terreno, acelerando el drenaje en los suelos finos que se encuentren atravesados por capas más permeables, aumentando la resistencia al corte del terreno.

Sin embargo, a profundidades mayores a 45-50 m, este sistema llega a ser ineficiente, optándose por un pozo profundo con bomba en el fondo. Además, los sistemas eyectores son sensibles a distintos componentes del agua subterránea como el hierro o el manganeso, que si precipitan pueden atascar el sistema, perdiendo rendimiento, al igual que por bioincrustaciones o por el desgaste de la boquilla, lo cual implica un mantenimiento regular del equipo.

La instalación consta de una serie de pozos, con una sola instalación de bombeo, cuya disposición depende de las condiciones del suelo. Los pozos están equipados por conductos o tuberías de alimentación, un expulsor (venturi), y un conducto de retorno. En la cabeza del pozo, la tubería de alimentación es conectada a una línea de alimentación de alta presión, y la tubería de retorno es conectada a una tubería de evacuación de baja presión. Las líneas de retorno están conectadas a una planta especial de bombeo la cual abastece a la línea de alimentación con agua a gran presión, y recoge el agua de la línea de evacuación. La elevada presión de agua que pasa a través del venturi, succionará el agua del suelo y la enviará a la superficie a través de la tubería de retorno. Pueden ser de dos tipos: de tubería única (dos concéntricas) o de dos tuberías. Este sistema se usa en suelos con baja permeabilidad (Figura 2).

Figura 2. Esquemas de eyector de dos tuberías o de tubería única (Powers, 1992)

A pesar del alto costo de la instalación de estos pozos, pueden resultar en algunos casos más económicos y fáciles de operar que los wellpoints. Los pozos pueden ser instalados en la superficie de la tierra fuera del área de construcción bajando el nivel de agua en una sola etapa. La distancia entre eyectores es similar a la utilizada en el sistema de wellpoints. En un principio, las profundidades de operación no están limitadas por la altura de succión, habiendo eyectores capaces de trabajar hasta 150 m de profundidad, aunque lo normal es estar entre los 30 y los 50 m en una sola etapa. Cuando se utilizan eyectores de una sola conducción, el diámetro interno de la perforación puede llegar a ser tan pequeño como 50 mm, lo que hace que este sistema sea  muy factible económicamente.

Una estación de bombeo suele constar de un tanque y una o más bombas, con válvulas y tuberías de conexión. La bomba toma agua del tanque y la impulsa a presión a la línea de abastecimiento, a las que están conectadas las tuberías de inyección de cada eyector. El agua inyectada y extraída del terreno vuelve al tanque a través de la línea general de retorno, a la que se conectan las tuberías de descarga de los eyectores. Una sola estación puede abastecer hasta 75 pozos eyectores.

Os paso una animación para que veáis cómo funciona un eyector. Espero que os sea útil.

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., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Drenaje en excavaciones sobre acuíferos confinados: pozos de alivio

Figura 1. https://www.groundwatereng.com/dewatering-techniques/relief-wells

Los pozos de alivio, también conocidos como pozos de descarga de presión o pozos de purga, (pressure relief wells) se utilizan para reducir la presión intersticial en acuíferos confinados o en condiciones de suelo estratificado. Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado, lo cual puede provocar que el fondo de la excavación se vuelva inestable. Se trata del fenómeno conocido como “levantamiento de fondo” o “taponazo”, donde el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua.

Estos pozos se perforan normalmente antes de que la excavación hay alcanzado nivel piezométrico del acuífero. A medida que la excavación continúa, los pozos comenzarán a desbordarse, aliviando las presiones intersticiales asegurando su estabilidad. El agua que fluye de los pozos de descarga se bombea desde un sumidero. Se puede utilizar una capa granular de drenaje y una red de desagües para dirigir el agua a los sumideros y evitar que se estanque en la excavación y ablande el fondo. Es habitual que los pozos de descarga se perforen en cuadrícula dentro del recinto excavado, con una separación que dependerá del caudal previsto, pero que normalmente no es mayor a 5-10 m.

Figura 2. Pozo de alivio

Los pozos de alivio también se clasifican como “pozos pasivos“, pues no necesitan un bombeo directo, más allá de las bombas de achique en los sumideros. Suelen presentar diámetros relativamente grandes (100 a 450 mm), que suelen rellenarse con material granular e incluso con tubo perforado. El material granular, normalmente una grava gruesa uniforme redondeada de tamaño nominal entre 10-20 mm, se introduce mediante una tubería tremie o incluso desde el propio nivel del suelo si esta grava tiene una clasificación muy uniforme, para evitar la segregación por tamaños. Son, por tanto, pozos simples de coste relativamente bajo de perforación, instalación y mantenimiento.

Los pozos de alivio son muy adecuados en recintos tablestacados o limitados por muros pantalla. Otras veces son drenajes permanentes en estructuras situadas sobre acuíferos confinados, como pudiera ser una estación subterránea de metro. En el caso de instalaciones permanentes, los pozos de descarga se instalan con rejillas y tuberías para permitir su limpieza.

Por último, cabe destacar que los pozos de alivio no pueden utilizarse donde la altura artesiana del agua en las capas permeables inferiores sea tal que el flujo en el interior de los pozos erosione el suelo inmediatamente debajo de ellos y a su alrededor.

Figura 3. Sistema de pozos de alivio (Cashman y Preene, 2012)

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. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2004). 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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Galerías de drenaje en el control del nivel freático

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (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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Selección del sistema de control del nivel freático

Figura 1. Control del nivel freático. https://www.flickr.com/photos/wsdot/4997287082/

Los trabajos a cielo abierto, donde la cota de excavación se encuentra por debajo del nivel freático requieren emplear procedimientos constructivos diferentes para evitar que dicha excavación se inunde. El agua modifica el estado del terreno, pudiendo provocar desprendimientos, socavaciones, etc., complicando el trabajo de la maquinaria y del personal. Construir en estas condiciones requiere acertar con el procedimiento adecuado.

La elección del sistema de control del nivel freático depende fundamentalmente de la estabilidad y permeabilidad del terreno, del caudal a evacuar y de la geometría (profundidad y extensión del control).

La empresa constructora seleccionará aquel método más rentable que minimice el impacto ambiental y los riesgos asociados, especialmente aquellos relacionados con la seguridad del personal y de terceros. Sin embargo, hay que tener presente que las técnicas no son directamente intercambiables y solo son eficaces bajo determinadas condiciones.

La Figura 2 proporciona una orientación inicial que recoge el rango de aplicación de los sistemas de control del nivel freático en función de la permeabilidad del terreno y de la reducción requerida del nivel de agua. En dicha figura, las áreas sombreadas indican zonas donde los métodos pueden solaparse.

Figura 2.  Rango de aplicación de los sistemas de control del nivel freático (Cashman y Preene, 2012)

En la Figura 3 se muestra cómo el porcentaje de finos frente al tamaño de partícula puede utilizarse como una primera aproximación para decidir el tipo de drenaje a utilizar. La figura también muestra que el flujo por gravedad del agua se reduce cuando el tamaño de las partículas es inferior al de arena muy fina.

Figura 3. Sistemas de drenaje aplicables a diferentes tipos de terrenos (Powers et al., 2007)

En la Tabla 1 se recoge, de forma simplificada respecto a la Figura 2, los rangos de permeabilidad para los cuales es aplicable un sistema de control del nivel freático u otro.

Tabla 1. Aplicabilidad del sistema de control del nivel freático en función de la permeabilidad del terreno (Justo Alpañes y Bauzá, 2010). http://contactoetsa.us.es/descarga/Postgrado—-Doctorado/Curso-Codigo-T%C3%A9cnico/TEMA-10-DB-SE-C—Excavaciones-y-drenajes-[Modo-de-compatibilidad].pdf/
En la Figura 4 tenemos otro procedimiento para seleccionar el sistema de control teniendo en cuenta el diámetro eficaz y la profundidad. El diámetro eficaz, que es el correspondiente al 10% en la curva granulométrica, permite caracterizar la permeabilidad del suelo. En este caso, incorporamos el criterio de profundidad, a diferencia de la Figura 3.

Figura 4. Gráfico de Herth y Arnodits (1973) para seleccionar el sistema de control del nivel freático en función del diámetro eficaz (permeabilidad) y de la profundidad del rebajamiento.

La Tabla 2 resulta de gran interés para valorar qué métodos sería el más adecuado en función de la granulometría del suelo, la hidrogeología, los requerimientos técnicos y la capacidad (Powers, 1992). Según esta tabla, resulta ilustrativo comprobar cómo los drenes horizontales suele ser el método más eficaz ante cualquier naturaleza y condición.

Tabla 2. Aptitud del sistema de control del nivel freático (Powers, 1992). https://www.interempresas.net/Rehabilitacion/Articulos/133892-Innovacion-sistemas-drenaje-elevada-siniestralidad-incidencia-agua-subterranea.html

Se pueden agrupar los suelos en cuatro grupos a efectos del posible rebajamiento del nivel freático (Schulze y Simmer, 1978; Muzas, 2007):

  • Bolos y gravas gruesas: k > 1 cm/s y tamaño del árido mayor de 5 mm. Con grandes caudales es muy costoso el bombeo, por lo que se hace el trabajo sumergido o con aire comprimido. También se puede impermeabilizar el recinto antes de los trabajos con inyecciones o con una pantalla plástica realizada con una mezcla de bentonita-cemento.
  • Arenas gruesas y finas: 1 > k > 10-2 cm/s y tamaño del árido entre 0,1 a 5 mm. Se usan pozos filtrantes y bombeo, al circular el agua por gravedad, con una velocidad de 1 a 0,01 cm/s.
  • Arenas finas y limos: 10-3 > k > 10-5 cm/s y tamaño entre 0,2 y 0,008 mm. El agua no puede circular libremente entre los poros, por lo que se pueden producir sifonamiento si aumenta la presión intersticial que se pueden evitar si se recurre al método de vacío (wellpoints).
  • Limos y arcillas:  10-4 > k > 10-6 cm/s y tamaño entre 0,02 y 0,002 mm. El agua no se puede desplazar por descenso del nivel freático. Con terrenos estables se puede usar el agotamiento ordinario, permitiendo construir taludes sin entibación, excepto en el caso de suelos muy susceptibles, en cuyo caso solo se pueden drenar por electroósmosis.

En el caso de bombeos, para seleccionar el diseño adecuado, siempre es recomendable realizar una prueba de bombeo que determine, entre otras, las siguientes características:

  • Permeabilidad media o transmisividad y radio de influencia
  • Gradiente horizontal probable, cuyo efecto es importante en estructuras vecinas o pozos cercanos
  • Dificultades de instalación de los pozos, para el diseño y selección del procedimiento constructivo
  • El caudal que se puede extraer del pozo
  • Cualquier condición imprevista que pueda afectar al bombeo

Os dejo a continuación un Polimedia explicativo. Espero que os sea de interés.

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; and PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • HERTZ, W.; ARNDTS, E. (1973). Theorie und praxis der grundwasserabsenkung. Ernst & Sohn, Berlin.
  • JUSTO ALPAÑES, J.L.; BAUZÁ, J.D. (2010). Tema 10: Excavaciones y drenajes. Curso de doctorado: El requisito básico de seguridad estructural en la ley orgánica de la edificación. Código Técnico de la Edificación. ETS. de Arquitectura, Universidad de Sevilla.
  • MUZAS, F. (2007). Mecánica del suelo y cimentaciones, Vol. II. Universidad Nacional de Educación a Distancia, 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. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • 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. (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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El problema del agua en las excavaciones

Figura 1. https://www.obrasurbanas.es/pantallas-tablestacas-excavaciones/

El flujo superficial y subterráneo del agua, así como los cambios en el nivel freático de un terreno, por causas naturales o artificiales, provocan consecuencias tanto en el terreno propio como en los colindantes. En el caso de una excavación que intercepte la capa freática va a suponer problemas tanto para la propia excavación, y posterior ejecución de las obras en el recinto, como en los terrenos y estructuras colindantes.

Los problemas del agua como factor desestabilizante se pueden resolver si se mantiene el agua lejos de las zonas donde puede causar daño o bien se controla el agua que entra mediante drenajes. Si no se controla la infiltración, entonces el agua puede hacer migrar las partículas finas del suelo hacia una salida, ocasionando sifonamientos o roturas por erosión, o bien se incrementa la saturación, la corriente interna, o se dan excesivas subpresiones o fuerzas de infiltración.

Un caso muy habitual de lo anterior ocurre cuando se realizan perforaciones bajo nivel freático para ejecutar anclajes (por ejemplo en muros pantalla) o bien en inyecciones (impermeabilización de presas y túneles, inyecciones de compensación, etc.). En estos casos, la salida de agua por la perforación puede provocar arrastre de finos o salidas abruptas de agua, fenómeno conocido como “taponazo”.

En el caso de realizar excavaciones, los principales problemas geotécnicos asociados al agua que pueden aparecer son la subsidencia, la erosión superficial, la erosión interna o tubificación, la inestabilidad de taludes, la inestabilidad del fondo o sifonamiento y el levantamiento del fondo. Sin embargo, un buen conocimiento del suelo, de las condiciones del agua del terreno y de las leyes del flujo hidráulico permite adoptar sistemas de control del agua que garanticen una construcción económica y segura. A continuación se describen brevemente estos problemas.

  • Subsidencia: En el caso de un descenso del nivel freático, el postulado de Terzaghi nos indica que el aumento de las tensiones efectivas provocará asientos. Esta disminución puede ser debida a un bombeo, previo o no, a una excavación (Figura 2). Análogamente, un aumento en el freático puede provocar asientos en un suelo arcilloso si éste disminuye su consistencia, o bien en arenas al reducir su capacidad portante. El aumento, por ejemplo, puede deberse a una fuga de la red de agua potable, a un aumento repentino de aguas superficiales por lluvias o, como se ve en la Figura 3, a la ejecución de un muro pantalla. En este caso, las grietas pueden aparecer tanto por el debilitamiento del terreno durante la excavación como cuando el muro pantalla hace de barrera al agua. Asientos del orden de 1 mm/año no exigen tratamiento de urgencia, pero si son del orden de 1 mm/mes, implican un riesgo notable. Asientos de 1 mm/año pueden provocar daños ligeros en la tabiquería, que son notables, dependiendo si el proceso se estabiliza o no, cuando son de 1 mm/mes y que llegan a graves si el asiento es de 2 mm/mes.
Figura 2. Grietas en edificios colindantes por subsidencia provocada por bombeo. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
Figura 3. Grietas en edificios colindantes por modificación del nivel piezométrico debido a ejecución de muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
  • Deslizamiento de taludes: El flujo de agua en el talud de una excavación provocan su inestabilidad, especialmente por el aumento de cargas que supone (el terreno con mayor saturación pesa más) y por la disminución de la resistencia a corte (fácilmente se reduce el ángulo de rozamiento interno del terreno a la mitad). En efecto, el criterio de rotura de Mohr-Coulomb, indica que la resistencia al corte del terreno τen un determinado plano depende del sumatorio de la cohesión efectiva c‘  y del producto de la tensión efectiva normal σ’ (diferencia entre presión total e intersticial) por la tangente del ángulo de rozamiento interno efectivo Φ‘ . Dicho de otra forma, conseguir una excavación más estable en presencia de agua supone taludes más tendidos.

Este fenómeno se combina con la erosión, especialmente cuando la excavación corta dos estratos, siendo el inferior impermeable en comparación con el superior, lo que provoca un flujo de agua entre capas que puede provocar fenómenos de erosión tanto superficial como interna (Figura 4). Se podría solucionar el problema con taludes de excavación más tendidos o bien con una barrera (tablestacado, muro pantalla, entre otros).

 

Figura 4. Peligro de deslizamiento y erosión regresiva en estrato impermeable
  • Erosión superficial: Cuando el agua aflora en los taludes de una excavación provoca cárcavas por arrastre del terreno que comprometen su estabilidad y por otra parte debilita las bermas construidas en taludes altos (Figura 5). La solución consiste en proteger la coronación y las bermas de los taludes con cunetas impermeables o drenes que reciban el agua y la conduzcan a puntos de recogida y bombeo, especialmente cuando el talud va a ser permanente. Este fenómeno erosivo también ocurre cuando la superficie freática no baja lo suficiente e intersecta la cara del talud.
Figura 5.  Erosión superficial del talud, con cunetas sin revestir o protegidas y revestidas
  • Erosión interna o tubificación (piping): El agua arrastra una partícula entre los huecos de un suelo dependiendo de la relación entre los tamaños de las partículas y los huecos y del gradiente hidráulico (Figura 6). El flujo arrastra las partículas por las líneas de corriente por el interior de la masa del terreno formándose un hueco tubular. Como el terreno es heterogéneo, si en un punto el flujo alcanza mayor velocidad, se produce un primer arrastre de partículas. Ello provoca un aumento del gradiente hidráulico y una progresión en la erosión al formarse un tubo donde el régimen es turbulento. Este fenómeno es propicio en suelos dispersables. Para evitarlo se emplean filtros graduados o bien geotextiles para evitar arrastres y medidas que reduzcan el gradiente hidráulico. Este efecto puede darse en el caso de presas de materiales sueltos, pero también podría aparecer, por ejemplo, en el flujo de agua provocado por un pozo de drenaje en una edificación contigua o en una ejecución inadecuada de los anclajes de un muro pantalla.
Figura 6. Tubificación en el interior de una presa de materiales sueltos
  • Inestabilidad del fondo o sifonamiento: Cuando existe un flujo ascendente, un terreno granular no consolidado puede perder completamente su resistencia a corte y comportarse como un fluido (arenas movedizas, partículas sueltas, como en ebullición), por lo que al fenómeno también se le conoce como fluidificación. Ello ocurre cuando un incremento de la presión intersticial anula la presión efectiva, o dicho de otra forma, cuando las fuerzas producidas por la filtración superan el peso sumergido del suelo. Este fenómeno podría aparecer en pantallas con un empotramiento reducido (Figura 7). A veces podrían provocarse sifonamientos localizados, como en el caso de un defecto puntual en un muro pantalla, pues se acorta el recorrido del flujo y aumenta el gradiente (Figura 8).
Figura 7. Sifonamiento en la base de un recinto protegido con muros pantalla
Figura 8. Sifonamiento localizado por defecto puntual en muro pantalla. Elaboración propia basado en Pérez Valcárcel (2004)
  • Levantamiento de fondo o taponazo (uplift): El fondo de la excavación se puede volver inestable cuando el peso del terreno no es capaz de equilibrar al empuje del agua (Figura 9). Es típico de un estrato de baja permeabilidad (como una arcilla o roca de baja permeabilidad sin fisuras) situado sobre un acuífero confinado de mayor conductividad hidráulica (como una grava, muy permeable). Suele resolverse el problema con pozos de alivio.
Figura 9. Rotura de fondo o tapozano

Además de los riesgos anteriores, no se debería olvidar que existen otros posibles riesgos difíciles de prever que pueden aparecer durante la ejecución de una excavación. Dentro de este capítulo se podrían citar incidencias derivadas de surgencias de una excavación ya drenada, filtraciones laterales en muros pantalla o tablestacas. En estos casos debe analizarse de inmediato las posibles consecuencias del fallo y aplicar, en su caso, las medidas correctoras oportunas. Aquí cobra especial importancia la experiencia adquirida en casos anteriores con el fin de garantizar la estabilidad de la propia obra y de las propiedades colindantes. Por último, y no menos importante, conviene recordar que el agua es el enemigo de los rendimientos de todos los tajos en una obra.

Os dejo algunos vídeos explicativos sobre aspectos que hemos comentado en el artículo. Espero que os sean de interés.

Otro vídeo de interés es éste que os dejo. En él vemos qué pasa cuando se ejecutan anclajes bajo el nivel freático.

REFERENCIAS:

  • 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.
  • 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.

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Drenaje de excavaciones mediante bombeos superficiales y sumideros

Figura 1. Sumidero para bombeo superficial. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

Un sumidero o pozo abierto (sump pit) es un foso en el que el agua se acumula antes de ser evacuada mediante un bombeo superficial (sump pumping). El sumidero se encuentra a un nivel más bajo que el terreno circundante para que el agua fluya a él por gravedad. Con estos bombeos no se provoca un descenso de la capa freática tal que permita la excavación en seco, sino que provoca la escorrentía del agua hasta alcanzar los sumideros. El agua bombeada se evacua hacia un canal de desagüe o a una conducción de drenaje. Debe eliminarse en la medida de lo posible la arena en suspensión, pues no solo ensucia las conducciones, sino que dificulta la circulación del agua.

El bombeo superficial recibe también el nombre de agotamiento ordinario. Se trata del sistema más sencillo de drenaje, económico y muy efectivo para abatimientos pequeños del nivel freático. El diseño y montaje de los bombeos superficiales se limita a preparar puntos o zanjas drenantes que concentren y faciliten el flujo del agua. Sin embargo, es su menor impacto económico el que hace que se extrapole su uso a situaciones inapropiadas, con resultados desfavorables, demoras de plazo, accidentes y posibles daños.

En efecto, la ejecución del sumidero no es aplicable en suelos granulares, puesto que su estabilidad es prácticamente nula y de riesgo alto una vez se atraviesa la capa freática, por lo que con los medios básicos y usuales a pie de obra, no es posible su implantación. Por eso solo se plantea el sistema con descensos muy pequeños del nivel freático, en el entorno de 2 m en suelos de moderada estabilidad.

Con excavaciones de alturas algo mayores, se requiere cierta cohesión del terreno para ejecutar taludes estables dentro de la parcela a vaciar. Por tanto, el bombeo abierto desde el fondo de la excavación no podrá ser utilizado en arenas, limos, arcillas limosas, o en cualquier situación en la que el agua pueda producir sifonamiento, levantamiento del fondo o inestabilidad de los taludes de la excavación.

Además, también pueden provocar problemas de desestabilización debido a la pérdida de finos del terreno circundante, así como a la elevación de las presiones efectivas y los consiguientes movimientos y asientos del terreno contiguo. Asimismo, el agua evacuada puede presentar una elevada carga de sedimentos que pueden provocar problemas medioambientales en el punto de vertido. Se pueden reducir los arrastres de finos minimizando la velocidad del flujo y colocando filtros y depósitos de decantación (areneros) a lo largo de la red de drenaje, en su caso. El arrastre de finos provocado por los agotamientos, puede también reducirse por medio de drenes de material filtrante colocados al pie de los taludes de la excavación.

Figura 2. Esquema de sumidero y bomba de achique para pequeñas excavaciones, basado en Powers (1992).

Los sumideros se plantean distribuidos a lo largo del perímetro de la excavación. Son excavaciones puntuales, de profundidades inferiores a unos 4 m, donde se dispone un árido que actúe de filtro y de una tubería metálica ranurada, de unos 450 mm, que permite alojar equipos de bombeo sumergibles de achique, de potencias de hasta 15 CV, capaces de elevar en torno a 40 l/s. Los áridos del prefiltro tienen un tamaño próximo a 15 mm y el ranurado del tubo, en el entorno de paso de 8 mm. El sumidero se debe profundizar a medida que progresa la excavación. Una vez alcanzada la profundidad definitiva debe recubrirse la solera con grava si el terreno es de grano fino y se prevé una larga utilización para evitar la posible succión de arenas.

Las bombas más utilizadas son las de membrana y las centrífugas. Estas bombas, que trabajan con rendimientos del 60-80 %, deben tener potencia suficiente para aspirar e impulsar con cierto margen, el caudal de agua mezclada de arenas y limos. Si la profundidad de la excavación supera la altura práctica de aspiración de la bomba (unos 5 m), la bomba debe quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático. En este caso es mejor utilizar bombas sumergibles, con lo cual ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la impulsión solo depende de la potencia del motor.

Figura 3. Aspecto del sumidero una vez colocado el material filtrante alrededor del tubo ranurado. https://www.ferrersl.com/noticias/proyectos-servicios/sistema-de-bombeo-tipo-sumidero/

La limpieza y el mantenimiento de los sumideros son tareas continuas. El sedimento se acumula en la parte superior de la grava y debe ser removido periódicamente, especialmente después de las lluvias. Si el sedimento se introduce en la grava que sirve de filtro, obstruyéndola, se debe reemplazar con grava limpia.

Os dejo un Polimedia explicativo sobre este tema. Espero que os sea de interés.

En este vídeo, cortesía de FERRER, S.L., se puede observar este sistema de bombeo superficial.

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., 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.

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Bombas empleadas en el control del nivel freático de una excavación

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

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

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

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

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

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

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

  • Bombas de diafragma o membrana: Es una bomba de desplazamiento positivo cuyo funcionamiento alternativo se produce por medio de una membrana elástica accionada por medios mecánicos o hidráulicos y válvulas esféricas que permiten el paso del agua (Figura 2). El cambio de presión genera que la válvula de succión se abra y permita el paso del fluido, la diferencia de presión abre la válvula de impulsión y la membrana se contrae, con lo cual el agua sale de la bomba. Algunos modelos presentan diafragmas de diversas formas (diafragma tubular, de doble disco, etc.). Habitualmente son bombas de poca potencia y pequeños caudales que se emplean en aguas cenagosas o cargadas de limo y arenas. Se eliminan las fugas posibles de líquido por su sistema de funcionamiento y sellado, por lo que son adecuadas para bombear materiales corrosivos y otros donde no se admitan fugas, en aplicaciones industriales. Presentan una succión muy elevada y un rendimiento muy bajo, una altura de impulsión máxima de 15 m. Aunque existen bombas de mando manual o hidráulico, en construcción se usan las de mando manual, y dentro de éstas, las electromagnéticas (caudal de 0,1 a 100 l/h) y las accionadas por motor (caudal de 100 a 1000 l/h). Algunos modelos pueden manejar partículas sólidas de hasta 40 mm.
Figura 2. Bomba de diafragma. https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_de_membrana
  • Bombas centrífugas de aspiración: Son bombas dinámicas aptas para todo tipo de líquidos, incluso con sólidos en suspensión, excepto si la carga a vencer es demasiado elevada. En excavaciones puede entrar arena o barro que obligan al diseño de paletas sujetas al desgaste. El líquido, al entrar en la cámara por la parte central y en la dirección del eje del rotor, es impulsada por éste y al girar lanzada hacia el exterior por la fuerza centrífuga. El líquido adquiere energía cinética que en el difusor se convierte en un aumento de presión. Transforman, por tanto, un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico, siendo su funcionamiento análogo, pero inverso, a las turbinas hidráulicas. Las bombas centrífugas pueden tener varias etapas (normalmente hasta ocho), de modo que el difusor de cada cámara envía el agua a la siguiente, aumentando la presión. Así, las bombas de varias etapas se adaptan a las condiciones de caudal y presión del sistema, siempre que no se planteen problemas de uso con aguas muy sucias. Las ventajas principales de las bombas centrífugas son el suministro de un caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Uno de los escasos inconvenientes de la bomba centrífuga convencional es la necesidad de cebado previo al funcionamiento pues, al contrario que las de desplazamiento positivo, no son autoaspirantes. En teoría, sería posible aspirar agua desde una profundidad de 10,33 m, sin embargo, esto exigiría un vacío absoluto; por tanto, a partir de los 5-7 m de excavación (altura de aspiración práctica), la bomba debería quedar por debajo de la superficie del terreno y lo más próxima al nivel freático original, facilitando así la impulsión hacia la superficie (Figura 3). En este caso son mejores las bombas sumergibles, donde ya no tiene importancia la altura de aspiración, mientras que la de impulsión solo depende de la potencia del motor.
Figura 3. Esquema de altura de impulsión. http://www.benoit.cl/LIBRO-HIDRAULICA-BOMBAS%20IDEAL.pdf
  • Bombas centrífugas autoaspirantes: Actualmente existen bombas centrífugas autocebantes, que permiten trabajar sin el peligro de deterioro por trabajar en vacío (Figura 4). En el principio de autocebado, el aire se introducen en la bomba por la presión negativa generada por el impulsor y se emulsiona con el líquido contenido en el cuerpo de la bomba. Esta emulsión entra forzada en la cámara de cebado, donde el aire más ligero escapa por la tubería de impulsión y el líquido recircula en el interior de dicha cámara. Una vez se expulsa todo el aire de la tubería, la bomba se ceba automáticamente hasta una altura de 5-7 m y trabaja como una bomba centrífuga convencional. Estas bombas también pueden trabajar con una mezcla líquido-aire. Algunos modelos pueden manejar sólidos de hasta 50 mm de tamaño.
Figura 4. Bomba centrífuga autoaspirante. https://www.tecnicafluidos.es/bombas-centrifugas-autoaspirantes-t-8-es
  • Bombas sumergibles de agua sucia: Estas bombas se utilizan en procedimientos de bombeo de achique cuando existen pequeñas infiltraciones o agua de lluvia en la excavación. Son relativamente pequeñas, normalmente portátiles, con una agarradera para moverlas fácilmente (Figuras 5 y 6). Tales bombas son de baja eficiencia (usualmente 50 a 60 %); las unidades son robustas y por lo tanto, requieren pozos de gran diámetro. Existen en el mercado unidades con potencias mayores que 100 HP para corriente directa o trifásica. Constan de un rodete multicanal, con una configuración y álabes preparados para estos fluidos. No poseen tubo de aspiración, por lo que el motor eléctrico se sitúa en el interior de la bomba. Las bombas empleadas en la construcción cuentan con una protección especial contra la abrasión para bombear aguas sucias con contenidos de lodos, arenas o cementos. Las bombas para agotamientos utilizadas en los sumideros se diseñan especialmente para trabajos duros en elevación de aguas sucias y fangosas. Funcionan en seco o sumergidas, ya que bomba y motor forman una unidad compacta y estanca; no dependen de la presión del aire que la rodea, así pueden impulsar los líquidos a alturas considerables; necesitan únicamente dos conexiones, una al tubo de descarga y otra al motor; no requieren tuberías, pues basta una manguera; no tienen válvulas, y por tanto, no se obstruye; no necesita cebarse; puede trabajar en seco en cortos periodos; trabajan en cualquier posición, aunque el mayor rendimiento se da en vertical y presentan un bajo coste de instalación, funcionamiento y mantenimiento.
Figura 5. Esquema de bomba sumergible de achique
Figura 6. Bomba de achique sumergible. https://www.bombasideal.com/producto/serie-d/
Figura 7. Principio de bomba sumergible. https://www.ingenieros.es/files/catalogos/Grundfos_-_Manual_de_Ingenieria_SP_ES.pdf

 

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

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

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

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

 

 

 

 

  • Bombas de turbina de eje vertical: Son adecuadas para grandes caudales con pequeñas alturas en posición vertical y sumergida. La bomba se coloca en el fondo del pozo, sin embargo, a diferencia de la electrobomba sumergible, la unidad motriz se ubica encima o junto al grupo de bombas, en la cabeza del pozo (Figura 8). Existen dos tipos de bombas de turbina de eje vertical, las lubricadas por aceite y las lubricadas por agua (autolubricadas). La construcción de estas bombas permite montar el número de etapas necesario, que puede llegar a 20 o más. Se pueden alcanzar unos 200 m.c.a., pero los problemas que ocasiona cualquier imperfección en la rectitud del eje influyen en la vida de los cojinetes y en la vibración de funcionamiento. Frente a las electrobombas sumergidas, su mayor ventaja es la facilidad de desmontar el eje y el impulsor desde arriba, sin necesidad de retirar la columna, lo que facilita la accesibilidad y el mantenimiento.
Figura 8. Esquema de bomba de turbina de eje vertical (Cashman y Preene, 2012)
  • Bombas de vacío para lanzas de drenaje (wellpoints): Constan de una unidad centrífuga para bombear el agua, de una unidad de vacío para impulsar el aire y de una cámara de aire flotante para separar el aire del agua. Su potencia disponible comercial varía entre 20 a 250 CV. Debido a que operan continuamente con vacíos importantes, se pueden dañar por cavitación. El equipo, montado sobre un chasis con un eje con neumáticos y barra de tiro para facilitar su colocación en la obra (Figura 9), consta de los siguientes elementos principales:
    • Cámara o tanque de separación de aire: recipiente cilíndrico con gran capacidad (de 1,5 m³), para reducir al mínimo los paros y arrancadas.
    • En su interior se alojan dos bombas sumergibles eléctricas o bombas para la impulsión del agua, así como los electrodos de barra para el control del nivel eléctrico.
    • Consta además de dos bombas de vacío eléctrico adosadas en el exterior del tanque. Se trata de dos depresores del tipo multicelular enfriados por aire y lubricados por aceite.
    • Cuadro de control eléctrico. Todos los equipos están provistos de control de marcha automática, con lo que se reducen al mínimo los costos de funcionamiento. Los elementos de mando eléctrico se hallan en una caja hermética al agua.
Figura 9. Equipo de bombeo para wellpoints. http://www.ischebeck.es/assets/files/agotamiento_agua/Cat%C3%A1logo%20Wellpoint%2016022012.pdf
  • Eyector hidráulico: Son bombas fluido-dinámicas que utilizan la energía de un fluido primario) para mantener un caudal de otro fluido (secundario) mediante un salto de presión. Son dispositivos que tienen la ventaja de no tener elementos móviles, no precisan mantenimiento, trabajan con todo tipo de fluidos, son confiables en su funcionamiento y pueden instalarse en cualquier posición. El eyector hidráulico, tal y como se aprecia en la Figura 10, está formado por un tubo vertical sumergido, paralelo al de aspiración, y al que se impulsa agua desde la parte superior. Ello forma una subpresión en la tobera inferior, cuando la altura de aspiración sobrepasa los 7 m, que es capaz de aspirar en condiciones económicas hasta los 20 m. Los sistemas eyectores son efectivos en suelos finos donde se requiere un bombeo de pequeños volúmenes de agua y para los cuales la baja eficiencia de los eyectores no es una desventaja. Este dispositivo, con algunas modificaciones, se emplea para el transporte de aguas sucias, lodos y arcillas en suspensión, en una proporción que llega a la cuarta parte del volumen total del fluido. Son las llamadas “bombas mamut”, que pueden elevar hasta 10 m mezclas fangosas, incluso con arenas, aunque sus rendimientos son pequeños (inferiores al 25%). En ocasiones se emplean lanzas hidráulicas de alta presión para romper la cohesión del material a bombear.
Figura 10. Eyector hidráulico. http://puyga.es/como-elegir-una-bomba-de-agua-para-pozos-componentes-tipos-y-recomendaciones-practicas/

Os dejo un vídeo de una bomba vertical tipo turbina.

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
  • PÉREZ VALCÁRCEL, J.B. (2004). Excavaciones urbanas y estructuras de contención. Ediciones Cat, Colegio Oficial de Arquitectos de Galicia, 419 pp.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.
  • YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

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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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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. (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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