Tuneladoras de frente en presión de lodos: los hidroescudos

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:

  1. Rueda de corte
  2. Accionamiento
  3. Suspensión de bentonita
  4. Sensor de presión
  5. Esclusa de aire comprimido
  6. Erector de dovelas
  7. Dovelas
  8. Cilindros de propulsión
  9. Burbuja de aire comprimido
  10. Mamparo sumergible
  11. Machacadora
  12. 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)

Os dejo a continuación un artículo de Mendaña y Fernández publicado en la Revista de Obras Públicas: http://ropdigital.ciccp.es/pdf/publico/2011/2011_octubre_3525_04.pdf

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Referencias:

  • 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.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Inyección de lechadas químicas

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.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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Drenaje de excavaciones mediante bombeo desde pozos eyectores

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Galerías de drenaje en el control del nivel freático

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Drenaje de excavaciones mediante zanjas perimetrales

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

 

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Selección del sistema de control del nivel freático

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • CASHMAN, P.M.; and PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • HERTZ, W.; ARNDTS, E. (1973). Theorie und praxis der grundwasserabsenkung. Ernst & Sohn, Berlin.
  • JUSTO ALPAÑES, J.L.; BAUZÁ, J.D. (2010). Tema 10: Excavaciones y drenajes. Curso de doctorado: El requisito básico de seguridad estructural en la ley orgánica de la edificación. Código Técnico de la Edificación. ETS. de Arquitectura, Universidad de Sevilla.
  • MUZAS, F. (2007). Mecánica del suelo y cimentaciones, Vol. II. Universidad Nacional de Educación a Distancia, Madrid.
  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • SCHULZE, W.E.; SIMMER, K. (1978). Cimentaciones. Editorial Blume, Madrid, 365 pp.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Conceptos básicos del agua en medio poroso

Figura 1. Esquema de acuífero. https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Aquifer_es.svg

Cualquier curso de geotecnia básica dedica una parte importante de su temario a describir y caracterizar el agua en el suelo, especialmente el flujo en medios porosos y la incidencia de las presiones efectivas en la deformación de los suelos.

En este artículo vamos a recordar algunos conceptos básicos que, de una u otra forma, influyen directamente en los procedimientos constructivos, especialmente cuando se trata de controlar el agua. Se remite al lector a la bibliografía básica para profundizar más en estos temas.

  • Acuífero: terreno por donde circula el agua. Al límite impermeable inferior del acuífero se le denomina muro y al superior techo. Si el agua se encuentra en contacto con la atmósfera a través de los poros o fisuras existentes en la zona no saturada, se denomina acuífero libre. En cambio, en un acuífero confinado, el techo se encuentra a presión superior a la atmosférica.
  • Acuicludo: formación geológica que conteniendo agua en su interior, incluso hasta la saturación, no la transmite y, por tanto, no es posible su explotación (caso de terrenos arcillosos).
  • Acuitardo: formación geológica que transmiten muy lentamente el agua, por lo que tampoco son aptos para la captación. Sin embargo, en condiciones especiales, permiten una recarga vertical de otros acuíferos. Es el caso de un estrato de arcillas limosas o arenosas.
  • Nivel freático: lugar geométrico de los puntos donde la presión del agua es la atmosférica. Es el nivel que alcanza la superficie del agua en pozos de observación en libre comunicación con los vacíos del suelo in situ. Por encima del nivel freático existe el agua capilar donde su presión es menor que la atmosférica. En un punto concreto, en un pozo, se habla de nivel piezométrico, que si se encuentra por encima de la superficie del terreno, se dice que existen “condiciones artesianas”.
  • Coeficiente de almacenamiento: cantidad de agua que cede un prisma de acuífero de base cuadrada unitaria cuando se le deprime la unidad. Es adimensional. Su valor oscila normalmente entre 0,2 y 0,4 en acuíferos libres, oscilando entre 10-5 y 10-3 en los acuíferos cautivos y semiconfinados, al entrar en juego los efectos mecánicos del terreno o de la propia agua.
Figura 2. Esquema de acuífero libre y confinado (Bouwer, 1987)
  • Porosidad: porcentaje del volumen total de un suelo o roca que está ocupado por poros. Estos poros estarán rellenos de agua si el material está saturado, o de aire y agua si no lo está. Si solo se considera el volumen de los poros que están interconectados, se denomina “porosidad eficaz”. En los acuíferos libres el coeficiente de almacenamiento coincide con la porosidad eficaz.
  • Índice de poros o huecos: razón entre el volumen de poros y el volumen de sólidos.
  • Humedad: relación entre el peso del agua que contiene un suelo y el peso del suelo seco.
  • Grado de saturación: porcentaje del volumen de huecos ocupados por el agua.
  • Carga hidráulica total: también llamado potencial, es la energía por unidad de peso (expresada como una altura) en un determinado punto de un fluido en movimiento. Donde H es la carga hidráulica total, z la altura geométrica, u/γw  la altura de presión, siendo u la presión del agua en el punto considerado y  γw  el peso específico del agua y v2/2g la altura de velocidad, siendo v la velocidad del flujo en el punto considerado y g la aceleración de la gravedad. Todos estos términos tienen unidades de longitud. Si el agua está en reposo (condiciones hidrostáticas), o bien se desprecia la velocidad por ser muy baja (caso de la circulación del agua en medio poroso), la carga total es la altura piezométrica.

  • Líneas de corriente o líneas de flujo: son las curvas por las que se mueven las partículas fluidas, invariables en el transcurso del tiempo. A medida que el agua circula a través del suelo, modifica su velocidad y potencial.
  • Líneas equipotenciales: lugares geométricos del flujo donde la altura piezométrica es constante.
Figura 3. Red de flujo, formada por líneas equipotenciales (Ψ) y  líneas de corriente (Φ)
  • Teorema de Bernouilli: en el caso ideal de un fluido perfecto e incompresible sujeto a un flujo permanente y estacionario, la carga hidráulica total se mantiene constante entre dos puntos cualesquiera del fluido a lo largo de una línea de corriente. Como un fluido real no es perfecto, cualquier obstáculo al flujo produce una pérdida de carga. De hecho, existe flujo entre dos puntos si existe una diferencia en la carga hidráulica, de forma que el agua circula del punto de mayor a menor potencial. Si se añade energía H al caudal mediante una bomba, y se consideran las pérdidas hr, del punto 1 al punto 2, la ecuación queda:

  • Coeficiente de permeabilidad: k, mide la facilidad para que el agua circule a través de un suelo. También se llama conductividad hidráulica, y tiene unidades de velocidad, normalmente cm/s. La permeabilidad implica una posibilidad de recorrido y exige la existencia de vacíos o huecos continuos. La permeabilidad depende de factores intrínsecos al acuífero y extrínsecos, que dependen del fluido, y son su viscosidad y su peso específico. Según Hazen, en arenas uniformes, la permeabilidad es proporcional al cuadrado del diámetro eficaz (D10 ).
  • Permeabilidad equivalente horizontal: el flujo atraviesa horizontalmente un conjunto de n estratos, con una permeabilidad cada uno de ki  y un espesor ei .  El caudal equivalente será la suma de los caudales, por lo que la permeabilidad equivalente, kh vale lo siguiente:

  • Permeabilidad equivalente vertical: el flujo atraviesa verticalmente un conjunto de n estratos, con una permeabilidad cada uno de ki  y un espesor ei .  El caudal a lo largo de los estratos, y cada estrato tendrá un gradiente distinto ii, por lo que igualando las pérdidas de carga y despejando, obtenemos la permeabilidad equivalente kv , que vale lo siguiente:

 

  • Gradiente hidráulico: i, se define como la pérdida de carga (altura piezométrica) por unidad de longitud recorrida. Es un vector cuya dirección se orienta con los potenciales decrecientes.

  • Ley de Darcy: la velocidad del fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico a través del coeficiente de permeabilidad. No es una propiedad intrínseca del suelo y tiene unidades de velocidad. Aquí se ha supuesto un flujo laminar en medio poroso y una velocidad media a través de una sección “macroscópica” de suelo, es decir, la velocidad aparente a lo largo de las líneas de flujo.

Figura 4. Esquema de la ley de Darcy
  • Transmisividad: caudal que se filtra a través de una franja vertical de terreno, de ancho unidad y de altura igual al espesor saturado, bajo un gradiente unidad, a una temperatura determinada y durante la unidad de tiempo. Sus unidades son las de una velocidad multiplicada por una longitud.
  • Ecuación de Laplace: modeliza un flujo estacionario en medio poroso homogéneo e isótropo de un fluido incompresible, en un suelo de peso específico constante y saturado. De difícil solución analítica, se puede resolver gráficamente dibujando dos familias de curvas ortogonales entre sí, las líneas equipotenciales (Ψ) y las líneas de corriente (Φ), que forman la red de flujo. Para dibujar la red de flujo hay que considerar que las fronteras impermeables constituyen líneas de corriente y las fronteras permeables (como una lámina de agua) es una línea equipotencial. Al cortarse ambas familias de líneas, se deben obtener “cuadrados curvilíneos”.

  • Red de flujo: una vez dibujada la red, la pérdida de carga total se distribuye de forma uniforme entre las equipotenciales, todos los canales de flujo transportan el mismo caudal, y un canal de flujo es el comprendido entre dos líneas de corriente. Las principales aplicaciones de las redes de flujo son: calcular las presiones del agua subterránea en unas determinadas líneas o superficies, estimar los caudales del agua subterránea y calcular los gradientes hidráulicos.
Figura 5. Red de flujo bajo una presa
  • Fuerzas de filtración o de arrastre: son fuerzas másicas (fuerza por unidad de volumen) que el agua ejerce sobre el terreno al circular por sus poros. El módulo de estas fuerzas por unidad de volumen es el producto del peso específico del agua por el gradiente. La fuerza de filtración tiene la dirección y el sentido del flujo.

  • Presión efectiva: es la presión que se transmite grano a grano, siendo la diferencia entre las presiones totales y las intersticiales. Según el postulado de Terzaghi, la resistencia al esfuerzo cortante y el cambio de volumen de un suelo dependen de la magnitud de la presión efectiva y sus variaciones.

Os voy a dejar algunos vídeos explicativos de estos conceptos. Espero que os sean de utilidad.

Referencias:

  • BOUWER, H. (1978). Groundwater Hidrology. Mc Graw-Hill Book Co., New York, 480 pp.
  • DAS, B. (2005). Fundamental of Geotechnical Engineering – 2nd ed, Technomic Publishing Co.
  • GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I. et al. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson, Prentice Hall, 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., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 338 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Drenaje de excavaciones mediante bombeos superficiales y sumideros

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P. (1992). Construction dewatering: New methods and applications. Ed. Wiley et al., New York.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W., DYER, M.R. (2004). Groundwater control: design and practice. CIRIA C515, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (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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Contención de agua mediante pantallas plásticas de bentonita-cemento

Figura 1. Cuchara bivalva para ejecución de pantalla plástica. https://www.archiexpo.es/prod/franki-foundations-belgium/product-61404-1536843.html

Las pantallas impermeables de bentonita-cemento, también llamadas pantallas blandas, plásticas o de lodo autoendurecible, constituyen barreras al paso del agua subterránea de construcción construcción similar a la de los muros pantalla (Figura 1). Este tipo de muros de estanqueidad se empezaron a utilizar en los años 60, en la mayoría de las ocasiones con un hormigón de bentonita-cemento como relleno de la pantalla, mientras que en España la primera realización data de 1974 (Cañizo et al., 1976). Su función es impermeabilizante, sin responsabilidad estructural, pues no deben resistir esfuerzos de flexión apreciables; por tanto son útiles cuando se trata de impedir el paso del agua pero no se va a realizar una excavación o vaciado anexo.

Se trata de abrir una zanja profunda y estrecha utilizando los procedimientos habituales de los muros pantalla, pero utilizando como fluido de perforación para contener las paredes un lodo de bentonita-cemento, en lugar de simplemente la bentonita. Son pantallas de un espesor entre 0,50 y 1,20 m, con profundidades que pueden llegar a 50 m, pero que son rentables hasta unos 25-30 m. Este procedimiento es más habitual en Europa que en Estados Unidos, donde suele utilizarse las mezclas de suelo y bentonita.

Otra forma de ejecutar este tipo de pantallas es mediante retroexcavadoras con brazos largos, que son efectivas hasta 15-20 m, aunque con brazos especialmente largos puede llegarse a 25-30 m. En otros casos, también se podrían utilizar zanjadoras de brazo inclinable.

Figura 2. Excavación con retroexcavadora para pantalla de bentonita-cemento. https://www.keller.co.uk/expertise/techniques/slurry-cut-walls

La resistencia y la permeabilidad de una pantalla de bentonita-cemento dependen de la dosificación (relación agua/cemento) y del tipo de cemento utilizado. Se trata de mezclar bentonita en la cantidad suficiente para evitar que el cemento decante antes del fraguado. Por cada metro cúbico de mezcla, la dosificación habitual es de 100 a 950 litros de agua, 20 a 80 kg de bentonita, 100 a 400 kg de cemento y de 0 a 5 kg de aditivos. En general se obtienen mayores resistencias con cementos de alto-horno o puzolánico que con cemento portland. Se pueden alcanzar con las mezclas de bentonita-cemento resistencias de 0,10 a 0,30 MPa. Esta mezcla de bentonita y cemento fragua lentamente.

En obra se necesita una planta que mezcle y dosifique el agua, la bentonita y el cemento. Transcurrido el tiempo de mezclado en planta, se manda el material al tajo. Este sistema difiere del tradicional, que deja hidratar previamente la bentonita de 12 a 24 horas; de esta forma, aunque se necesario utilizar algo más de bentonita, nos evitamos montar una planta de gran volumen, con depósitos de almacenaje de bentonita en maduración.

Durante el proceso constructivo es importante garantizar que entre paneles no existen juntas. Si la perforación de dos paneles contiguos es inmediata, se puede ejecutar una pantalla continua, sin juntas; si se retrasa la perforación, se muerde el extremo, aún en estado pastoso para que se adhiera el nuevo lodo y no se forme junta. Se pueden obtener rendimientos típicos de 100 a 150 m2/día.

Figura 3. Ejecución pantalla plástica de bentonita-cemento. https://www.terratest.com/pdf/catalogos/brochure-diaphragm-walls-spain.pdf

La ventaja de estas pantallas, aparte de la impermeabilidad y ausencia de juntas, es su adaptación a grandes deformaciones que pueda provocar el cambio del nivel freático. Además, el coste es relativamente económico debido al consumo reducido de materiales, a la mecanización de las operaciones y a la simplificación de la construcción. Son competitivas frente a otros sistemas como las tablestacas o las pantallas perforadas con hormigón bituminoso. Frente a otros sistemas de coste similar como pantallas de hormigón de arcilla o de suelo mejorado, las pantallas de bentonita-cemento son de mayor calidad, puesto que las anteriores son difíciles de compactar y por la existencia de juntas. Sin embargo, no son viables si se debe excavar en roca o si se debe levantar la pantalla como núcleo de arcilla de forma simultánea a los espaldones de presas de materiales sueltos.

Os dejo un vídeo para que veáis el procedimiento constructivo análogo a la construcción de un muro pantalla.

 

En este otro caso, se puede ver que la zanja se hace con procedimientos de excavación convencionales.

A continuación os dejo un ejemplo de Geocisa de aplicación de pantallas continuas de cemento-bentonita que han servido para mejorar las condiciones de seguridad y la corrección de filtraciones de la presa Hornotejero, en Cordobilla de Lácara (Badajoz).

Descargar (PDF, 311KB)

REFERENCIAS:

  • CAÑIZO, L.; ERASO, A.; AGUADO, J. (1976). La bentonita-cemento y sus aplicaciones. Revista de Obras Públicas, 123(3130):67-76.
  • CASHMAN, P.M.; PREENE, M. (2012). Groundwater Lowering in Construction: A Practical Guide to Dewatering, 2nd edition. CRC Press, Boca Raton, 645 pp.
  • INSTITUTO GEOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1987). Manual de ingeniería de taludes. Serie: Guías y Manuales nº 3, Ministerio de Educación y Ciencia, Madrid, 456 pp.
  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 326 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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Drenaje horizontal con pozos radiales

Figura 1. Pozo Ranney. https://infogram.com/obras-de-toma-1g0n2owd8340p4y

Los pozos radiales o de drenes horizontales consisten en diversos tubos perforados horizontales, que se disponen desde un pozo revestido de hormigón, de un diámetro suficiente para permitir el acceso de varios operarios (Figura 1). El objetivo es extender el radio efectivo del pozo para aumentar el caudal específico de drenaje. De hecho, el pozo con drenes horizontales se comporta, considerando aparte las pérdidas de carga interiores, como un pozo vertical de gran radio.

Los pozos horizontales son útiles en suelos donde no se pueden utilizar zanjas drenantes, pozos profundos o wellpoints, no siendo recomendable en suelos estratificados. Es típico en excavaciones profundas a través de terrenos permeables (aluviales y zonas muy karstificadas), hasta llegar a una capa impermeable.

El agua fluye dentro del pozo desde los tubos perforados horizontales, bombeándose el agua al exterior. Los drenes se pueden perforar con cierta inclinación hacia arriba para penetrar en más de un horizonte de acuífero. Estos drenes se colocan mediante martillos neumáticos o por inyección. La longitud de los drenes varía en función del área a drenar, pudiendo variar de 30 a 100 m de longitud.

Figura 2. Esquema de pozo radial. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Según el procedimiento constructivo para instalar los drenes horizontales, se denominan pozos Ranney, Fehlmann o Preussag:

  • Pozos Ranney: las perforaciones radiales se realizan con los mismos tubos filtrantes definitivos, quedando directamente instalados. Son tubos de acero, de paredes gruesas y ranuras alargadas en sentido longitudinal.
  • Pozos Fehlmann: utiliza tubos de perforación, de unos 250-300 mm de diámetro, que se retiran después de la colocación de los filtros, pudiéndose utilizar de nuevo. De esta forma se puede elegir el material y abertura de las ranuras de los tubos filtrantes según las propiedades químicas del agua y con la granulometría y permeabilidad del terreno.
  • Pozos Preussag: emplea tubos de perforación similares al sistema Fehlmann, colocando después prefiltros de arena. A veces la colocación de estos prefiltros puede ser complicada y difícilmente adaptable a posibles variaciones de la granulometría a lo largo del dren.

El procedimiento constructivo presenta dos fases características, la construcción del pozo central e instalación de los drenes horizontales. El pozo central se construye hincando cilindros de hormigón, de unos 3-4 m de diámetro, a medida que se excava. Este cajón se introduce en el suelo por el sistema de “cajones indios“, por excavación interior sin achique previo. Cuando la profundidad del pozo alcanza la cota prevista, se hormigona el fondo construyendo un tapón bajo el agua.

En el caso del sistema Fehlmann, los colectores se hincan con un equipo de empuje instalado sobre una plataforma en el fondo del pozo. Para facilitarla se coloca una punta reforzada, denominada piloto, que desagrega el terreno facilitando el avance. En el interior de estos tubos se colocan los tubos filtrantes, de forma que los tubos estancos se retiran para volverse a utilizar, quedan abandonado en el terreno el piloto. Este tubo con punta reforzada puede comunicar con el interior del pozo central por medio de una tubería auxiliar llamada tubería de desarenado. La presión del agua sobre los agujeros del azuche crea una corriente de agua a gran velocidad por el interior de la tubería de desarenado cuando se abre una válvula en el interior del pozo. Posteriormente durante el servicio de la captación, la cámara sirve como elemento receptor y depósito de los caudales extraídos y para facilitar las maniobras de cierre y apertura de cada dren.

Los rendimientos para construir un pozo de este tipo pueden ser de 5-7 m por semana para el pozo central y de 8-10 m diarios para la penetración de los tubos horizontales.

Figura 3. Hinca de tubería en sistema Fehlmann. http://ocw.bib.upct.es/pluginfile.php/6012/mod_resource/content/1/Tema_03_CAPT_AGUAS_SUB.pdf

Destacan las siguientes ventajas de los pozos radiales: permiten, para igual velocidad de flujo, caudales superiores a los pozos ordinarios; se puede regular cada colector por separado, pudiendo cerrarlos para el mantenimiento; baja velocidad de entrada del agua a los drenes (hasta 30 veces menor que en los pozos ordinarios), por lo que disminuyen los arrastres; no le afectan tanto las fluctuaciones del nivel freático como a los pozos ordinarios; además, como los drenes permanecen siempre sumergidos, se reducen los fenómenos de corrosión e incrustaciones. Sin embargo, es necesaria una fuerte inversión inicial y un alto grado de especialización en la construcción, con acuíferos no demasiado profundos (aunque hay realizaciones de hasta 70 m). Además, el hincado de los drenes limita su uso a acuíferos granulares poco compactos de granulometría variable.

El rendimiento hidráulico en estos pozos supera de 45 a 60% la producción de un pozo ordinario de diámetro similar, pudiendo llegar, en capas freáticas, a caudales de 200 a 400 l/s. Si los pozos están cerca de un río, el caudal sube de 750 a 1150 l/s.

Se puede estimar el caudal Q (m3/s) de un pozo radial en régimen normal de servicio en función de del radio del pozo r (m), de la altura del agua sobre la solera en régimen normal h (m) y del coeficiente de permeabilidad del terreno k (m/s):

De la ecuación se observa que el caudal depende del radio y de la altura del agua sobre la solera y como no se puede hacer mucho para aumentar esta última, debe actuarse sobre el radio, que puede ser grande.

Os dejo varios vídeos explicativos de este tipo de pozos radiales.

Os dejo a continuación un artículo donde se explica cómo se ejecutó un pozo Ranney, en este caso para aumentar el abastecimiento de agua en Málaga.

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REFERENCIAS:

  • POWERS, J.P.; CORWIN, A.B.; SCHMALL, P.C.; KAECK, W.E. (2007). Construction dewatering and groundwater control: New methods and aplications. Third Edition, John Wiley & Sons.
  • PREENE, M.; ROBERTS, T.O.L.; POWRIE, W. (2016). Groundwater Control – Design and Practice, 2nd Edition. Construction Industry Research and Information Association, CIRIA Report C750, London.
  • TOMLINSON, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. URMO, S.A. de Ediciones, Bilbao, 825 pp.
  • YEPES, V. (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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