Figura 1. Sistema de drenes cerrados en un terreno de espesor indefinido
Sea un sistema de drenes cerrados, construido en terreno de espesor indefinido, espaciados una distancia D uno de otro, tal y como se puede observar en la Figura 1. El problema habitual consiste en determinar la profundidad seca que queda dado un espaciamiento entre los drenes, suponiendo que existe una alimentación vertical de caudal q constante por unidad de superficie.
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.
Sea un sistema de drenes abiertos tipo zanja, construido en un acuífero homogéneo e isotrópico, que comprende todo el espesor del nivel freático, espaciados una distancia D uno de otro, tal y como se puede observar en la Figura 1.
El problema habitual consiste en determinar el espaciamiento que debe dársele a los drenes para mantener el espesor del nivel freático bajo un valor H en todos sus puntos, suponiendo que existe una alimentación vertical de caudal q constante por unidad de superficie.
A continuación os dejo un nomograma elaborado junto con el profesor Pedro Martínez-Pagán, donde se puede realizar la estimación de este tipo de drenes abiertos tipo zanja.
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.
Figura 1. Un esquema de un cajón abierto ideado por Triger (1846). https://es.wikipedia.org/wiki/Jacques_Triger
Tal día como hoy, 11 de marzo, nació el geólogo francés Jacques Triger (1801-1867), inventor del “procedimiento Triger” para ejecutar excavaciones bajo nivel freático. Se trata de realizar la excavación en el interior de una cámara o cajón abierta en su parte inferior a la que se bombea aire comprimido para evitar la entrada de agua (Figura 1).
Se empezó a emplear en las minas de carbón en 1839 (minas de Chalonnes-sur-Loire). Estas minas estaban situadas bajo el lecho del río Loira, y para llegar a la roca había que cortar 20 m de aluvión anegado de agua. En este caso, se inyectaba el aire a presión mediante una bomba de vapor.
En la Figura 2 se puede ver con mayor detalle cuál era el procedimiento constructivo ideado por Triger. Sobre la sección inferior presurizada y sellada por el terreno (B), había otra sección, (A), con esclusas arriba y abajo (M y N), con dos válvulas y un grifo. Una de las válvulas suministraba el aire comprimido a la caja y la otra lo llevaba al tubo. La válvula posibilitaba reponer el equilibrio de presión, entre la caja y las secciones contiguas. El agua se evacuaba por un tubo desde el fondo al exterior impulsado por la presión el aire, sin necesidad de bombas (S). Los descensos del tubo ocurrían al bajar la presión de la cámara.
Figura 2. Procedimiento de Jacques Triger en el pozo de Chalonne. https://jluisgsa.blogspot.com/2020/03/la-cara-oculta-de-los-puentes-con-pilas.html
Su invento fue ampliamente utilizado en la ingeniería de la construcción, especialmente para hundir los cimientos de los pilares de los puentes en los lechos de los ríos. Esta tecnología se utilizó por primera vez en Italia en la década de 1850 bajo la supervisión de empresas de construcción británicas y francesas. También se utilizó el procedimiento en obras emblemáticas como en la cimentación del puente de Brooklyn o en el puente del Firth of Forth en Escocia o en la cimentación de dos de los cuatro pilares de la Torre Eiffel (Figura 3).
Figura 3. Construcción de los cimientos de la Torre Eiffel (1887). https://es.wikipedia.org/wiki/Jacques_Triger
Esta técnica presenta riesgos elevados para los trabajadores, pues el entorno hiperbárico provoca graves daños si no se realiza una descompresión adecuada. Hoy en día, su uso es marginal y tiende a desaparecer. Otros métodos más seguros y económicos han sustituido a esta técnica.
En un artículo escrito en este blog sobre cimentación mediante aire comprimido se analiza con mayor detalle este procedimiento constructivo. Actualmente también es posible controlar el nivel freático mediante aire comprimido en excavaciones realizadas por escudos. Remito al lector a un artículo específico que escribimos en su día de esta tecnología.
Referencias:
GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco, Bilbao, 277 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86
Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
Vista frontal de un hidroescudo. https://www.eurohinca.com/escudo-cerrado-hidroescudo.html
Los escudos de frente en presión de lodos, o hidroescudos (hydroshield, en inglés) son tuneladoras que emplea lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad del frente, con un sistema de conducción del escombro por vía húmeda mediante bombeo. Estas máquinas surgieron en los años sesenta para resolver el problema de la presurización de los frentes de excavación en materiales no cohesivos.
Actualmente, los hidroescudos son aptos para trabajar para excavar bajo nivel freático en terrenos complicados, formados por arenas y gravas u otros materiales blandos y fragmentados. El límite del tamaño máximo transportable hidráulicamente es de 80 a 100 mm. No obstante, si se incorpora una trituradora en la cabeza de la máquina, se puede abordar el desalojo de tamaños mayores. Cuando el porcentaje de finos (tamiz 200) supera el 20%, la solución no es económica por la dificultad de separar el escombro de la bentonita. Además, se trata de una máquina especialmente indicada para la perforación de pequeños diámetros. No obstante, siempre con los inconvenientes propios de este medio de estabilización: vertido de los lodos y sobrecoste de la instalación para su preparación, bombeo y recuperación.
Estos escudos son las más apropiados para excavar túneles en terrenos inestables sometidos a una elevada presión de aguas subterráneas o a filtraciones que deben contenerse proporcionando sostenimiento al frente de excavación con un fluido a presión. Este fluido de excavación normalmente es una suspensión de bentonita o bien una mezcla de arcilla y agua.
El fluido de perforación se bombea hacia el interior de la cámara de excavación, donde llega al frente de excavación y penetra en el suelo formando la torta de filtro o el mamparo impermeable en suelos finos, o la zona impregnada en suelos gruesos, que garantiza la presión en el frente. La función de los lodos, además de estabilizar el terreno, es facilitar la evacuación del escombro que, mezclado con ellos, se bombea y dirige hacia el exterior.
En estos escudos, la parte de la máquina que realiza la excavación, está separada del resto por una mampara completamente estanca. Los lodos ocupan una cámara con dos compartimentos: uno anterior lleno de lodos con el escudo en funcionamiento y otro posterior en el que se regula la presión por medio de un colchón de aire que está separado de la cámara por un diafragma. El volumen de lodos, se controla automáticamente con un regulador de nivel superior e inferior que actúa sobre los sistemas de alimentación y de extracción del detritus, de forma que cuando los lodos alcanzan uno de estos niveles, las bombas de impulsión o extracción se paran automáticamente.
En la Figura 2 se representan las distintas partes de la que consta un hidroescudo.
Figura 2. Esquema básico de un hidroescudo
La numeración de las partes del hidroescudo de la Figura 2 es la siguiente:
Rueda de corte
Accionamiento
Suspensión de bentonita
Sensor de presión
Esclusa de aire comprimido
Erector de dovelas
Dovelas
Cilindros de propulsión
Burbuja de aire comprimido
Mamparo sumergible
Machacadora
Tubería de extracción
Como en cualquier aplicación con lodos bentoníticos, la permeabilidad del terreno tiene un límite (k > 10-2 cm/s.) a partir del cual la capa de gel ya no se forma sobre el terreno y en consecuencia ha de recurriese a otro medio auxiliar de excavación.
La mezcla con los residuos se bombea desde la cámara de excavación hasta una planta de separación situada en la superficie, compuesta generalmente por cribas y ciclones, lo cual permite reciclar la suspensión de bentonita y arcilla.
Por último, resulta relevante comentar que los hidroescudos son la única forma de excavar un túnel bajo nivel freático cuando las presiones del agua son muy elevadas, por encima de los 5 Bar.
Os dejo a continuación la Figura 3, tomada de Mendaña y Fernández (2011), donde se pueden ver, de una forma aproximada, los rangos de utilización de los hidroescudos frente a los escudos EPB. A la izquierda de la figura tenemos en azul los terrenos cohesivos, donde lo ideal son los escudos EPB, mientras que a la derecha son terrenos no cohesivos con escasez de finos, donde lo más adecuado son los hidroescudos. Existe, como siempre, un campo intermedio donde se debe estudiar con mayor detenimiento la aplicación. En cualquier caso, es muy importante elegir bien los aditivos adecuados.
Figura 3. Campo de aplicación de los escudos presurizados (Mendaña y Fernández, 2011)
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86.
Figura 1. Inyección en presa Los Caracoles, San Juan (Argentina). www.fundacionesespeciales.com
La inyección de morteros líquidos se les conoce también por inyecciones químicas. Las lechadas químicas, también llamadas mezclas químicas, son soluciones puras sin partículas en suspensión, salvo que se añadan con alguna finalidad específica. Se caracterizan por su baja viscosidad, cercana al agua, por lo que penetran en los huecos por donde el agua puede filtrarse. Normalmente penetran en arenas finas, limos arenosos y fisuras de hasta 0,01 mm de apertura. La mezcla gelifica al cabo de cierto tiempo al cambiar bruscamente la viscosidad. Su mayor inconveniente es su alto precio, por lo que suelen utilizarse en casos específicos o combinados con otras técnicas, donde antes se ha inyectado con cemento.
Las mezclas líquidas se caracterizan por su viscosidad, que determina su penetrabilidad, por el tiempo que transcurre desde la fabricación de la mezcla hasta el comienzo de su gelificación y por las características del gel final como aglomerante del medio que recibe la inyección (Figura 2). Estas características se ven afectadas por las proporciones de la mezcla, incluida el agua y también de la temperatura, que modifica el tiempo de gelificación.
Figura 2. Cambio de viscosidad de algunas mezclas químicas (Sanz, 2000)
Las inyecciones químicas se componen de una base de inyección, un reactivo y un catalizador. Así, en el método de Joosten, una solución de silicato de sodio reacciona con una solución alcalina de cloruro cálcico para formar un concentrado de sílice, el llamado gel de sílice. Sin embargo, aparte de los geles de sílice, se pueden clasificar las mezclas químicas en otros tipos de genes y en resinas y espumas.
Se utilizan dos procesos de aplicación de las lechadas químicas. Las de doble acción (two-shot) consiste en inyectar el silicato sódico concentrado y luego una solución de cloruro cálcico que se inyecta a presión elevada que actúa como gelificante. Este procedimiento supone el coste de dos inyecciones y de los sondeos correspondientes. Para evitar esto, se utiliza el proceso de acción simple (one-shot) supone una única inyección de todos los productos, que se mezclan antes de inyectarse, pero diseñando la reacción de forma que la lechada solidifique o se convierta en gel en los huecos del suelo. Este segundo caso corresponde al caso de la reacción del silicato con acetato de etilo, formalmida, etc., o bien utilizando subproductos del tratamiento de las maderas, tales como las lejías lignosulfáticas coaguladas por adición de bicromatos alcalinos.
Los tipos más comunes de lechadas químicas son las siguientes (García Valcarce et al., 2003):
Geles duros (reactivos orgánicos):
A base de silicato de sodio
Mezcla de un lignosulfito y bentonita
Geles plásticos (reactivos inorgánicos):
A base de silicato de sodio y bentonita desfloculada
Geles de bentonita, arcilla o cemento
Resinas orgánicas
Monómeros acuosos, polímeros precondensados
Estas inyecciones no se aplican a terrenos con poros muy pequeños, como las arcillas y limos, que prácticamente no se pueden inyectar. Se podrían aplicar a arenas finas o loess, pero con costes muy elevados. Tampoco servirían con terrenos con huecos demasiado grandes ni cuando la mezcla presente una viscosidad elevada.
A continuación se describen los tres grandes grupos de lechadas químicas:
Geles de sílice: La base habitual es el silicato de sodio disuelto en agua. Esta base se mezcla con un reactivo endurecedor orgánico (geles duros) o mineral (gel o espuma), que, en función de la dosificación, regula la duración del fraguado. Las lechadas químicas de este tipo son las de mayor viscosidad, y su aplicación es adecuada en arenas finas o muy finas (k ϵ [10-3, 10-6] m/s). En roca se emplea cuando las fisuras son finas. Como reactivo inorgánico (fabricación de gel plástico), se usa principalmente el bicarbonato sódico, lo cual forma un gel blando de gelificación retardada, suficiente para la impermeabilización. Entre los reactivos orgánicos se puede mencionar el acetato de etilo, aunque hoy día se ha desplazado por otros productos, muchos bajo marcas comerciales.
Otros geles: Para aplicaciones particulares, se pueden utilizar otros tipos de lechadas químicas:
Geles mixtos: Mezcla de gel de sílice y resina acrílica, empleado para el tratamiento de fisuras activas.
Geles de arcilla: Mezcla de bentonita, silicato y un reactivo, muy utilizado en la impermeabilización de depósitos aluviales, para el remate de pantallas impermeables, así como proceso posterior a la inyección de lechadas de bentonita-cemento. También se utiliza cuando es difícil impermeabilizar con lechadas de cemento y cuando no se justifica el uso de gel.
Geles lignocromos: Mezclas de lignosulfatos que contienen un exhalante de cromo, altamente tóxico. Es habitual el lignosulfato de calcio y dicromato de sodio. Se usan también en la impermeabilización de depósitos aluviales complementando a las inyecciones de bentonita-cemento.
Resinas: Suelen ser soluciones de productos orgánicos en agua o en disolventes no acuosos, que polimerizan a temperatura ambiente en lugares cerrados. Se utiliza cuando no se puede inyectar otro producto por su viscosidad demasiado elevada. Se emplea en la impermeabilización de terrenos granulares finos o en el cierre de grietas de obras, especialmente presas y túneles. En estos últimos casos, o en la inyección en fisuras den estructuras de hormigón, aunque son muy caras, se pueden usar colas inyectadas, que son resinas de alta viscosidad como pueden ser las resinas epoxi especiales, poliéster, o productos acrílicos, que una vez polimerizan proporcionan mecánicas superiores a las del hormigón. Habría que hacer mención a los productos espumantes que incrementan su volumen con la formación de burbujas de gas (resinas de poliuretano). Un caso especial son los productos “sensibles al agua”, que permanecen líquidos hasta ser inyectados. Están formados por coloides orgánicos (poliol-isocianato) que pasan a espuma de poluiretano, en contacto con el agua, incrementando su volumen en más de 20 veces. Son las resinas de poluiretano acuarreactivas (resinas P.A.).
En la Figura 3 se representa el campo de aplicación de distintas inyecciones químicas en función de la permeabilidad del terreno. Puede verse que las mezclas químicas, especialmente las resinas acrílicas y fenólicas, presentan un mayor rango de aplicabilidad que las inyecciones de lechada de cemento o de arcilla-cemento. Los polímeros dan buen resultado cuando se requiere inyectar fracturas abiertas con agua en circulación, taponándose temporalmente las grietas para inyectar entonces las suspensiones de cemento, morteros y lechadas, que son más resistentes y de mayor durabilidad.
Figura 3. Tipos de inyecciones según la permeabilidad (Pérez Valcárcel, 2004)
En la Figura 4 se observa, con carácter orientativo, el límite de inyectabilidad en función de la permeabilidad del suelo y los diámetros de los granos de lechada (Cambefort, 1968).
Figura 4. Penetrabilidad de los morteros en función de la permeabilidad del medio (Cambefort, 1968)
En la Figura 5 se han representado los materiales que se emplearían en la inyección de acuerdo con el tamaño de los granos del terreno.
Figura 5. Materiales de inyección de acuerdo con el tamaño de las partículas (Bell, 1978)
A parte del coste de este tipo de tratamientos, hay que señalar que el agua marina puede modificar sustancialmente el tiempo de gelificación de varias soluciones de este tipo. Además, normalmente este tipo de tratamientos son provisionales, útiles durante la fase constructiva, pues la durabilidad de este tipo de productos puede ser muy variable.
Referencias:
BELL, F.G. (1978). Foundation engineering in difficult ground. Butterworths, London.
BIELZA, A. (1999). Manual de técnicas de tratamiento del terreno. Carlos López Jimeno, Madrid, 432 pp.
CAMBEFORT, H. (1968). Inyección de suelos. Omega, Barcelona.
GARCÍA VALCARCE, A. et al. (1995). Manual de Edificación. Derribos y demoliciones. Actuaciones sobre el terreno. Ediciones Universidad de Navarra, Pamplona, 472 pp.
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. 2004.844. Valencia.
SANZ, J.M. (1981). Procedimientos generales de construcción. Sondeos y perforaciones, inyecciones, pilotes, pantallas continuas. E.T.S. Ingenieros de Caminos, Madrid.
TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
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.
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 dejo a continuación un vídeo que os he grabado explicando las galerías de drenaje. Espero que os guste.
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.
Figura 1. Bombeo desde sumidero y zanja perimetral. https://gharpedia.com/blog/dewatering-methods-for-waterlogged-area/
El agotamiento del agua a cielo abierto (open sump pumping) de grandes excavaciones puede realizarse mediante bombeo desde zanjas perimetrales a la excavación (dewatering by constructing drains). Estas zanjas, más profundas que la excavación principal, llevan el agua a unos pozos o sumideros donde una bomba la evacua fuera de la excavación.
En el caso de áreas extensas, incluso se pueden disponer zanjas intermedias, además de las perimetrales. Se trata de un sistema de poca complejidad y, normalmente, de menor coste frente a otros sistemas. El rebajamiento conseguido por este método rara vez supera 1,50 m.
Tanto las zanjas como los sumideros se realizan con maquinaria de excavación convencional. Las bombas deben ser suficientemente robustas como para afrontar el manejo de partículas sólidas y finos. Este sistema presenta problemas con suelos granulares, por su poca estabilidad cuando se encuentran saturados. Se trata de un sistema que solo es útil cuando el volumen de agua aportado por el terreno no es muy alto; sirve en obras pequeñas o rebajes limitados en suelos cementados y arenas gruesas limpias. La zanja drenante se rellena de árido graduado para garantizar su integridad y retener los finos, evitando la erosión del suelo; pero si los suelos son suficientemente estables y cohesivos, no se precisa de dicho relleno.
En el caso de que se deba drenar una cantidad de agua importante, se debe incrementar la sección de la zanja, aumentar la pendiente, e incluso, colocar tuberías horizontales fisuradas dentro de la zanja drenante para favorecer la circulación del agua hacia los sumideros. Antes de disponer los áridos que rodean esta tubería, se coloca una membrana de geotextil para evitar la salida de finos. En ocasiones se pueden omitir las tuberías drenantes, de forma que la parte inferior de la zanja quedaría completamente rellena de material drenante, con unas dimensiones de 0,50 m x 0,50 m (o superior), constituyendo un dren denominado ciego o francés (French drain), cuya construcción se puede observar en la Figura 2.
Figura 2. Dren francés. https://construblogspain.wordpress.com/2014/01/23/dren-frances-ejecucion-y-caracteristicas/
El sistema es adecuado para descensos someros del nivel freático, entre 1 y 2 m, donde el nivel previo al bombeo se encuentre próximo a la superficie del terreno. En efecto, en condiciones de presión atmosférica, el máximo nivel de aspiración real de la bomba se reduce a unos 5 a 6 m. Es por eso que excavaciones a mayor profundidad requeriría de una batería escalonada de bombas o bien utilizar bombas sumergibles.
Figura 3. Sistema de bombeo con zanja perimetral desde pozos abiertos (Pérez-Valcárcel, 2004)
La profundidad de las zanjas y sumideros puede aumentarse a medida que avanza la excavación (Figura 4). El fondo de las zanjas debe mantenerse 0,30-0,60 m por debajo del fondo de la excavación. En excavaciones pequeñas, la profundidad de las zanjas puede ser de 0,30 a 0,60 m con un ancho de 0,40 m y una relación de inclinación de 1:1-1:1,5. También se dispone una pequeña pendiente mínima del 0,5 % para el buen drenaje de la zanja. Los sumideros suelen ser cúbicos, de 1 m de lado. El espaciamiento de centro a centro de los sumideros a lo largo de la línea central de las zanjas puede variar de 20 a a 30 m. El sumidero final debe ser lo suficientemente profundo como para que, cuando se bombee hacia afuera, se drene toda la excavación. El fondo del sumidero se sitúa entre 0,40 y 1,00 m por debajo de las zanjas. Las paredes del sumidero se pueden reforzar con tablas de madera y otro material. Para evitar el arrastre de partículas finas suele revestirse el sumidero con un material filtrante. El bombeo debe realizarse de forma continua hasta que terminen las operaciones.
Figura 4. Profundización de zanjas perimetrales y sumideros. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-10-0669-2_4
Uno de los problemas del sistema es que la corriente subterránea de agua puede arrastrar partículas finas y aumentar la presión intersticial del terreno colindante, con el consiguiente riesgo de subsidencias o asientos indeseados en estructuras colindantes. Este efecto se acentúa en aquellos terrenos con estratos de arena fina o limo. En casos extremos se podría producir erosión interna, sifonamiento, roturas de fondo o deslizamiento de taludes. Este fenómeno puede producirse cuando las pendientes son pronunciadas o existe un potencial hidráulico elevado. Cuando hay filtración de agua por el talud de la excavación y se tienen taludes poco inclinados, a veces es suficiente proteger la base del talud (batter protection) con una berma de gravas o sacos de arena (Figura 5) para evitar su erosión o fallo por colapso; pero en otros casos, sobre todo en zonas urbanas, el riesgo de inestabilidad de los taludes de la excavación aconseja la construcción de recintos cerrados con muros pantalla o tablestacas y bombear el agua que penetre en el recinto. En este caso resulta imprescindible asegurarse de que no existe levantamiento del fondo, sifonamiento o erosión interna.
Figura 5. Protección de talud mediante sacos de arena. https://grupoivda.com/productos/geobolsas/
A continuación os dejo un vídeo donde os explico los aspectos más destacados de este tipo de drenaje. Espero que os sea de interés.
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.
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.
