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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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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