Los eyectores hidráulicos son dispositivos de elevación de fluidos que, aunque no constituyen bombas en sentido estricto, funcionan como sistemas fluido-dinámicos capaces de transportar un fluido secundario mediante la energía suministrada por un fluido primario a presión. Su principal característica es la ausencia de elementos móviles en la zona de aspiración o de elevación, lo que les proporciona una elevada fiabilidad, un mantenimiento mecánico prácticamente nulo en el interior del pozo y una gran resistencia frente a condiciones de trabajo severas.
El funcionamiento del eyector hidráulico se basa en el efecto de una corriente de agua a presión, impulsada desde la superficie a través de un conducto vertical sumergido y paralelo al tubo de aspiración. El fluido motriz atraviesa una tobera o garganta de sección reducida, donde adquiere gran velocidad y genera una zona de baja presión. Esta depresión produce la aspiración del fluido situado en el fondo del pozo o de la excavación, incorporándolo al flujo principal y permitiendo su elevación hasta la superficie.
Eyector hidráulico
Este tipo de dispositivos resulta especialmente útil cuando la altura de aspiración supera los 7 m, un límite práctico para muchas bombas convencionales. En condiciones adecuadas de diseño y funcionamiento, los eyectores hidráulicos pueden elevar fluidos de forma económica hasta alturas próximas a los 20 m, aunque su rendimiento global suele ser inferior al de otros sistemas de bombeo convencionales, especialmente al de las bombas de pozo profundo.
Una de las principales ventajas de los eyectores hidráulicos es su capacidad para trabajar con fluidos cargados de sólidos, aguas sucias, lodos, arcillas en suspensión y mezclas fangosas abrasivas, sin que existan órganos mecánicos sumergidos susceptibles de desgaste o avería. Por esta razón, son frecuentes en aplicaciones de ingeniería civil, minería y obras especiales, particularmente en excavaciones profundas, drenajes, pozos, operaciones de desagüe y de extracción de barros de perforación.
Con determinadas modificaciones de diseño, estos dispositivos pueden transportar mezclas sólido-líquido en las que la fracción sólida alcance hasta una cuarta parte del volumen total del fluido, siempre que el tamaño de las partículas sea compatible con las dimensiones de la tobera y de la conducción. También pueden emplearse para el manejo de arenas y de materiales granulares finos en suspensión.
Dentro de este grupo destacan las denominadas “bombas mamut”, o sistemas de elevación por aire o por agua comprimida, utilizados para la extracción de mezclas fangosas y lodos con arenas. Estos sistemas pueden alcanzar alturas de elevación del orden de 10 m, aunque presentan rendimientos energéticos modestos, a menudo inferiores al 25 %. No obstante, su simplicidad constructiva, fiabilidad y capacidad para operar en entornos agresivos compensan, en muchos casos, su baja eficiencia.
En algunos trabajos de minería, cimentaciones y perforaciones se utilizan, además, lanzas hidráulicas o de aire comprimido de alta presión situadas cerca del fondo de la excavación. Estas lanzas permiten desagregar y fluidificar el material cohesivo, rompiendo su estructura y facilitando la entrada de la mezcla al sistema eyector, lo que mejora la continuidad y la eficacia del proceso de extracción.
Los sistemas eyectores resultan especialmente adecuados en terrenos finos y en situaciones en las que se requiere el bombeo de pequeños caudales de agua o de mezclas con sólidos, y en las que la simplicidad mecánica, la fiabilidad y la facilidad de instalación sean factores prioritarios frente al rendimiento energético. Además, pueden instalarse prácticamente en cualquier posición y trabajar con una amplia variedad de fluidos, lo que amplía considerablemente su campo de aplicación en la ingeniería civil y minera.
En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tipo de bombas.
Este vídeo resume los conceptos más relevantes sobre los eyectores hidráulicos.
Cuando se piensa en un pozo de agua, suele evocarse una imagen rústica y elemental: una estructura de piedra, una polea, un cubo y una cuerda. Este conjunto simboliza la autosuficiencia y la conexión directa con la tierra, una realidad que ha acompañado a la humanidad durante milenios. En el contexto actual, dicha imagen transmite una simplicidad que puede parecer casi anecdótica frente al avance tecnológico contemporáneo.
Sin embargo, detrás de esa apariencia tradicional se esconde un ámbito caracterizado por la ingeniería de alta precisión, una geología compleja y una normativa muy estricta. Los sondeos de agua modernos son proyectos altamente especializados que exigen un profundo conocimiento del subsuelo y el estricto cumplimiento de la legislación vigente. Desde su fase inicial hasta su clausura definitiva, cada etapa está marcada por exigencias técnicas que cuestionan las ideas más extendidas sobre este tipo de infraestructuras.
A partir del manual técnico Sondeos para explotación de acuíferos, este trabajo se adentra en ese mundo menos visible para exponer cinco aspectos inesperados y relevantes sobre la perforación, el mantenimiento y la clausura de los pozos de agua en la actualidad. El objetivo es mostrar que, en el fondo de un pozo, hay mucho más que un simple recurso hídrico.
1. Los múltiples usos de un sondeo
Los pozos suelen asociarse principalmente al abastecimiento de agua para consumo humano o para riego agrícola. Sin embargo, su funcionalidad es considerablemente más amplia y, en algunos casos, poco intuitiva. Desde el punto de vista técnico, los especialistas los clasifican en cuatro grandes categorías, lo que pone de manifiesto la versatilidad de estas infraestructuras.
Uso directo y uso indirecto: El uso directo es el más conocido y tradicional y comprende la captación de agua para el consumo humano, la ganadería y la agricultura. Por el contrario, en el uso indirecto, el agua no es el objetivo final, sino un medio para otros fines. En este grupo se incluyen, por ejemplo, los sondeos destinados al aprovechamiento de aguas termales con fines energéticos mediante la extracción de energía geotérmica, así como los pozos de uso industrial en los que el agua se emplea en procesos de fabricación o en operaciones de lixiviación para la recuperación de minerales contenidos en la roca.
Drenaje: cuando el objetivo es eliminar el agua: Una de las aplicaciones más contraintuitivas es la del drenaje. En estos casos, el objetivo no es localizar ni aprovechar el recurso hídrico, sino retirarlo del terreno. En grandes proyectos de obra civil, como la construcción de aparcamientos subterráneos o explotaciones mineras situadas por debajo del nivel freático, es imprescindible reducir la presencia de agua. Para ello, se realizan sondeos de achique que permiten extraer volúmenes significativos de agua de forma controlada, garantizando condiciones de trabajo seguras y estables.
Investigación: los instrumentos del hidrogeólogo: Por último, los sondeos de investigación, entre los que destacan los piezométricos, no se perforan con fines extractivos, sino para obtener datos. Estas instalaciones permiten a los hidrogeólogos monitorizar el estado de los acuíferos, medir sus niveles y analizar su comportamiento a lo largo del tiempo, por lo que constituyen una herramienta esencial para la gestión sostenible de este recurso estratégico.
2. La complejidad legal de la perforación de pozos
Si bien el proceso para obtener una hipoteca suele considerarse complejo, la legalización de un pozo de agua en España puede resultar aún más exigente. Lejos de tratarse de un mero procedimiento administrativo, la perforación de un sondeo implica recorrer un entramado normativo en el que intervienen distintos niveles de la administración pública: estatal, autonómico y local.
Uno de los primeros aspectos que sorprende es que, en el ordenamiento jurídico español, el agua tiene la consideración de bien de dominio público, por lo que su titularidad corresponde al Estado. En consecuencia, no se puede perforar un pozo en una propiedad privada sin la autorización administrativa correspondiente. Este proceso exige la elaboración y presentación de un proyecto técnico detallado ante la Confederación Hidrográfica competente y, además, ante la Dirección General de Minas.
La justificación de esta doble supervisión es de carácter técnico. Los equipos y procedimientos empleados para perforar a grandes profundidades comparten principios, tecnologías y riesgos con la actividad minera. Por este motivo, la normativa que regula la seguridad y las prácticas mineras resulta aplicable, independientemente de que el objetivo de la perforación sea la captación de agua y no la extracción de recursos minerales. Esta superposición legislativa pone de manifiesto la complejidad inherente a la gestión de un recurso esencial, en la que se busca compatibilizar su aprovechamiento con la protección del medio ambiente y la seguridad de las operaciones.
La actividad minera es un sector de indudable relevancia desde el punto de vista socioeconómico. No obstante, en la actualidad tiene una incidencia significativa en el medio ambiente y en la ordenación del territorio, por lo que es necesario conciliar adecuadamente el desarrollo de esta actividad con la protección de los distintos bienes jurídicos implicados.
En este contexto, aunque los procedimientos administrativos asociados puedan percibirse como complejos o excesivamente prolongados, resultan esenciales. Estos controles garantizan que la extracción de agua se realice de manera sostenible, evitando la sobreexplotación de los acuíferos y asegurando la conservación de un recurso natural que, al ser de carácter público, constituye un patrimonio común cuya gestión debe llevarse a cabo con criterios de responsabilidad y equilibrio ambiental.
3. Cuando el terreno se degrada desde el interior: el riesgo de la “tubificación”
Los marcos normativos regulan las actuaciones en superficie, pero en el subsuelo operan procesos naturales regidos por leyes físicas y geológicas propias, de gran alcance y, en determinados casos, con efectos altamente destructivos. Entre ellos destaca un fenómeno conocido como tubificación, una forma de erosión interna del terreno que puede acarrear consecuencias graves.
Tal y como se describe en la literatura técnica especializada, el proceso comienza cuando las corrientes de agua subterránea arrastran las partículas más finas del suelo, formando progresivamente conductos o galerías internas. Estos vacíos se desarrollan de manera imperceptible desde la superficie hasta que la pérdida de soporte provoca el debilitamiento del techo y su colapso repentino, lo que origina hundimientos o socavones. Una vez generados, estos conductos actúan como vías de drenaje que transportan agua y grandes volúmenes de material sólido, lo que acelera la erosión interna del terreno.
Las consecuencias de este fenómeno pueden ser especialmente graves: desde el socavamiento de las cimentaciones de las edificaciones y la aparición de fisuras en las infraestructuras hasta el hundimiento total del terreno en casos extremos. La tubificación pone de manifiesto que el subsuelo no es un medio inerte y estable, sino un sistema dinámico en el que la acción del agua puede moldear el terreno y, en determinadas circunstancias, comprometer su estabilidad, sin que aparezcan señales visibles inmediatas en la superficie.
4. Limpieza criogénica: aplicación del hielo seco para la mejora del rendimiento de un pozo
La hidrogeología recurre, en ocasiones, a técnicas procedentes de ámbitos aparentemente ajenos, lo que da lugar a soluciones innovadoras y altamente eficaces. Un ejemplo especialmente notable es el empleo de hielo seco en las operaciones de limpieza y rehabilitación de pozos, un procedimiento orientado a incrementar su rendimiento mediante la eliminación de obstrucciones internas.
El método consiste en la introducción controlada de bloques de dióxido de carbono (CO₂) en estado sólido, conocido como hielo seco, en el interior del sondeo. Al entrar en contacto con el agua, el CO₂ no fusiona, sino que sublima, pasando directamente del estado sólido al gaseoso. Esta transición rápida genera una intensa agitación y un burbujeo de gran energía, que favorecen el desprendimiento de lodos, incrustaciones y partículas finas acumuladas en las fracturas y poros del acuífero.
No obstante, el efecto más significativo se produce a mayores profundidades. A partir de aproximadamente 42 metros, la elevada presión hidrostática de la columna de agua impide la conversión inmediata del CO₂ en gas. En estas condiciones, el dióxido de carbono se disuelve abruptamente en el agua, dando lugar a una solución altamente sobresaturada. Esta transformación casi instantánea libera una gran cantidad de energía y, cuando la generación de gas supera la capacidad de evacuación del pozo, se produce una potente columna ascendente de agua que vacía el sondeo de forma súbita, expulsando las impurezas acumuladas en un proceso comparable al de un géiser controlado.
5. Sellar un pozo no es simplemente cerrar un hueco: la ingeniería de la clausura
El abandono de un pozo de agua puede parecer, a primera vista, una operación sencilla, limitada a rellenar el hueco excavado. Sin embargo, la realidad dista mucho de esta percepción. La clausura de un sondeo constituye un proceso técnico de elevada complejidad, comparable en rigor a su propia construcción, y tiene como finalidad principal la protección de los acuíferos y del medio ambiente a largo plazo.
Una de las técnicas menos intuitivas se aplica en pozos con revestimiento metálico. Antes de proceder a su relleno definitivo, en determinados casos resulta necesario perforar o “punzonar” la tubería desde el interior mediante herramientas hidráulicas. El objetivo de esta operación es garantizar que el material de sellado, habitualmente un mortero de cemento, no se limite a ocupar el interior del tubo, sino que atraviese las perforaciones y se adhiera eficazmente al terreno circundante. De este modo se consigue un sellado continuo y monolítico que aísla por completo el pozo y evita cualquier comunicación indeseada entre las formaciones acuíferas.
La dificultad técnica aumenta cuando se trata de un pozo artesiano, caracterizado por la presencia de agua a presión que aflora de forma natural. Su sellado puede compararse con la obturación de una conducción sometida a presión sin interrumpir previamente el suministro. Una de las soluciones empleadas consiste en instalar temporalmente una prolongación de la tubería en la boca del pozo. Este procedimiento, basado en principios físicos elementales, permite aumentar la altura de la columna de agua y generar una contrapresión suficiente para neutralizar el empuje del acuífero. De este modo, los técnicos pueden inyectar el material de sellado sin que se desplace, asegurando una clausura efectiva y duradera.
Conclusión
Como se ha expuesto, los pozos de agua son mucho más que simples perforaciones en el terreno. Son infraestructuras de notable complejidad técnica que interactúan con un medio geológico dinámico y están sujetas a una normativa cuyo objetivo es proteger un recurso natural esencial e insustituible. Desde la diversidad de sus aplicaciones, que van mucho más allá del consumo directo, hasta los avanzados procedimientos de limpieza criogénica y las rigurosas técnicas de clausura, todas sus fases ponen de manifiesto una profundidad científica y tecnológica que a menudo pasa inadvertida.
Así pues, la próxima vez que se beba un vaso de agua, conviene reflexionar sobre el largo y complejo recorrido que ha seguido desde las capas más profundas de la Tierra hasta su uso final. Esta reflexión nos lleva a considerar que hay muchos aspectos fundamentales de la gestión de los recursos naturales que sustentan nuestra vida cotidiana que permanecen fuera de nuestra percepción habitual.
En esta conversación se pueden escuchar los conceptos básicos de lo tratado en este artículo.
Aquí tenéis un vídeo resumen del contenido.
Aquí os dejo una presentación sobre los conceptos clave.
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 también presenta 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 mediante la inyección de agua a alta presión hasta el fondo del sondeo, donde el efecto Venturi la succiona y la eleva al exterior. Trabaja por succión, pero a diferencia de los wellpoints, esta se produce en el fondo del pozo. La ventaja frente a los pozos profundos es que los eyectores tienen un diámetro reducido. Las bombas de presión se sitúan en superficie y son del tipo normal, lo cual resulta de interés por su fácil vigilancia, 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 reducidos cuando las condiciones lo permiten.
Su desventaja es su bajo rendimiento energético y su aplicabilidad se centra en caudales bajos. De hecho, en suelos con más del 5 % de partículas finas, los métodos de drenaje gravitacionales son muy lentos y los conos de depresión tardan en formarse. Por tanto, este 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 es el límite de un wellpoint de una sola etapa. En estos terrenos de tan baja conductividad, el uso del vacío garantiza un mejor drenaje del suelo. Además, si la columna del filtro del pozo se sella con bentonita, el vacío se transmite por completo al terreno, lo que acelera el drenaje de los suelos finos que atraviesan capas más permeables y aumenta la resistencia al corte del terreno.
Sin embargo, a profundidades superiores a 45 o 50 metros, este sistema deja de ser eficiente, por lo que se opta por un pozo profundo con una bomba en el fondo. Además, los sistemas eyectores son sensibles a distintos componentes del agua subterránea, como el hierro o el manganeso, cuya precipitación puede obstruir el sistema y reducir su rendimiento, así como a las bioincrustaciones o al desgaste de la boquilla, por lo que es necesario realizar un mantenimiento regular del equipo.
La instalación consta de una serie de pozos y de una única instalación de bombeo, cuya disposición depende de las condiciones del suelo. Los pozos están equipados con 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 utiliza en suelos de 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, en algunos casos pueden resultar más económicos y más fáciles de operar que los wellpoints. Los pozos pueden instalarse en la superficie de la tierra, fuera del área de construcción, para reducir el nivel de agua en una sola etapa. La distancia entre eyectores es similar a la empleada en el sistema de wellpoints. En un principio, las profundidades de operación no están limitadas por la altura de succión, ya que hay eyectores capaces de trabajar hasta 150 m de profundidad, aunque lo normal es situarse entre 30 y 50 m en una sola etapa. Cuando se utilizan eyectores de una sola conducción, el diámetro interno de la perforación puede ser tan pequeño como 50 mm, lo que hace que este sistema sea muy rentable.
Una estación de bombeo suele constar de un tanque y una o más bombas, junto con válvulas y tuberías de conexión. La bomba toma agua del tanque y la impulsa a presión hacia la línea de abastecimiento, a la 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.
