Galerias de infiltracion

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Trabajo hecho en la asignatura de Agua y saneamiento de la Maestria en Ingeniería Ambiental.

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Galerias de infiltracion

  1. 1. Galerías de Infiltración Universidad Nacional de Ingeniería Centro de Investigación y Estudios del Medio Ambiente Maestría en Ingeniería Ambiental Asignatura: Abastecimiento de Agua Trabajo de Curso: Obras de Captación Galerías de InfiltraciónPresentado por :Sergio Enrique Álvarez GarcíaManrique Castillo Sancho Docente: M.Sc. Yalena Navarro Cajina. Managua, Nicaragua 18 de Junio del 2011. 1
  2. 2. Galerías de InfiltraciónIntroducciónUna galería de infiltración es una forma de captar el agua subterránea que seencuentra muy próxima a la superficie - subsuperficial - y cuyos afloramientos sepresentan dispersos en áreas considerables.El uso de estas obras de captación de agua, se limita a casos en que el aguasubterránea se encuentre a una profundidad de 5 a 8 metros por debajo delsuelo.Son recomendadas cuando se va a captar el agua subterránea de acuíferos depoca profundidad con un pequeño espesor saturado y además en zonascosteras en donde el agua dulce se encuentra por encima del agua salada. 2
  3. 3. Galerías de Infiltración I.- Principio de funcionamientoUna galería de infiltración consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeandode una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuíferosuperficial, o en el caso de captación indirecta de aguas superficiales, en elestrato permeable que se comunica con dichas aguas.En los extremos aguas arriba de la galería y a una longitud aproximada de 50 m,normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo seconstruye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas porgravedad o por bombeo hacia el sistema de distribución (Fig.1). El tubo derecolección usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su diámetro esfunción del gasto, siendo el más recomendable del orden de 200 ó 250 mm. 3
  4. 4. Galerías de InfiltraciónFigura 1.- Detalle de una Galería de infiltración 4
  5. 5. Galerías de InfiltraciónII.- Criterios para la ubicación de las galerías de infiltración.La galería de infiltración se orienta con la dirección predominante del flujo subterráneo.Cuando la velocidad de un rio es pequeña y existen extractos de alta permeabilidad que seconectan, la galería normalmente se instala paralela al eje del mismo.En este caso, la dirección del flujo subterráneo principalmente es desde el río hacia lagalería, aunque desde el lado opuesto de la misma también penetrará el agua, ya que elrío y la instalación de la galería será análoga (Fig. 2 y 3).En caso de cursos rápidos y extractos de baja permeabilidad, será necesario investigar ladirección del flujo subterráneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galería deinfiltración. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del río dan los resultadosdeseados (Fig. 4).Cuando no existen extractos permeables con la excepción de unos bancos de arena ograva depositados por el río en un lecho limitado la galería se instala por debajo del río,normal a su eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de muy bajapermeabilidad. (Fig.5). 5
  6. 6. Galerías de InfiltraciónFigura 2.- Galería de infiltración con flujo del río hacia la galería 6
  7. 7. Galerías de InfiltraciónFigura 3.- Galería de infiltración con flujo del acuífero al río y la galería. 7
  8. 8. Galerías de InfiltraciónFigura 4.- Galería de infiltración en extractos poco permeables 8
  9. 9. Galerías de InfiltraciónFigura 5.- Galería de infiltración bajo el lecho de un rió 9
  10. 10. Galerías de Infiltración3.- Ventajas de las galerías construidas en materiales no consolidadosEl material no consolidado en donde comúnmente se construyen las galerías tiene unacomposición litológica muy variable, conformada por capas de arena, grava, guijarros yarcilla, siendo las principales ventajas de su construcción las siguientes:a) Fáciles de excavar o perforar.b) Posición favorable para recibir la recarga de los ríos y lagos al estar ubicadosnormalmente en el fondo de los valles que frecuentemente corresponden a zonas planascon niveles piezométricos muy próximos a la superficie.c) Suelos con alta porosidad efectiva, permiten disponer de mayor cantidad de aguasubterránea.d) Permeabilidad más elevada con respecto a otras formaciones, lo que facilita eldesplazamiento del agua.e) Disponibilidad de agua en períodos de escasas lluvias, cuando el caudal de los ríos esmínimo o nulo, al permitir que las aguas subterráneas circulen por el material aluvial queconforma el valle del río, mientras que en período lluvioso, el caudal superficial del ríorecarga el acuífero incrementando la disponibilidad de los recursos hídricos. 10
  11. 11. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimientotiene que diseñar una galería de filtración en base a su experiencia y,por lo general, sin un detallado estudio hidrogeológico, resulta unabuena práctica calcular por medio de diferentes métodos, variando losparámetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luegoseleccionar los resultados más probables.Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casosproporciona buenos resultados para el diseño.El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseño de lagalería filtrante, permite al proyectista identificar los parámetros ofactores de mayor influencia. 11
  12. 12. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. Al efecto, en las formulaciones es necesario tener en cuenta las características delacuífero y las características del dren.Las características del acuífero se identifican por los siguientes parámetros con susrespectivos símbolos y dimensiones: Conductividad hidráulica o permeabilidad: kf [m/s] Profundidad del acuífero: H [m] Transmisividad [kf*H] T [m2/s] Espesor dinámico del acuífero en el punto de observación: Hb [m] Espesor dinámico del acuífero en la galería: Hd [m] Pendiente dinámica del acuífero: i [m/m] Porosidad efectiva: S [adimensional] Radio de influencia del abatimiento: R [m] Distancia entre la galería y el pozo de observación: L [m] Distancia entre la galería y el punto de recarga: D [m] 12
  13. 13. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.En lo que respecta a la galería de filtración, sus principales características físicas con susrespectivos símbolos y dimensiones son: Radio del dren: r [m] Tiempo de extracción del agua de la galería: t [s] Abatimiento de la napa de agua a la altura de la galería s [m] Mínimo tirante de agua encima del lecho del curso o cuerpo de agua superficial: a [m] Profundidad del estrato impermeable con respecto a la ubicación del dren: b [m] Profundidad de ubicación del dren con respecto al fondo del curso o cuerpo de agua superficial: z [m] Carga de la columna de agua sobre el dren pd [m]Adicionalmente, se tiene el caudal de explotación de la galería de filtración y quepuede ser: Caudal unitario por longitud de dren: q [m3/s-m] Caudal unitario por área superficial: q’ [m3/s-m2] 13
  14. 14. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.Por su ubicación, las galerías de infiltración son captaciones donde puede admitirse que elmétodo de equilibrio para fuentes subterráneas es aplicable. A fin de determinar lascaracterísticas de diseño de las galerías es necesario hacer excavaciones o perforacionesde prueba en cada caso específico, las cuales permitirán conocer:• Permeabilidad media del acuífero para estimar la producción por metro lineal de galería.• Granulometría del terreno para determinar las características de la grava de envoltura.Gastos Pequeños: 3 a 5 lpps.En el caso de gastos pequeños del orden e 3 a 5 lps, normalmente basta con unaexcavación de prueba hasta una profundidad conveniente por debajo del nivel estático delagua. Se extrae luego el agua con bomba, a una tasa fija y se observa el descenso denivel. La estabilización de dicho nivel para una tasa fija de bombeo prolongado, significaráque el recargamiento natural del acuífero desde el río (en el caso de captaciones indirectade fuente superficial), iguala el gasto extraído. A base de este gasto y estimando el áreatotal de penetración del agua en la excavación de prueba, puede formarse una idea acercade la longitud necesaria de galería para el gasto deseado. 14
  15. 15. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.Gastos MayoresCuando se trata de gastos mayores, además de la excavación de prueba, será necesarioperforar o excavar uno o varios pozos de observación, a fin de determinar el descenso del nivelde agua a cierta distancia del punto donde se efectúa el bombeo de prueba.En este caso, el procedimiento para determinar la longitud necesaria de la galería para el gastode diseño es:• Bombear a una tasa constante hasta que el nivel de agua se establece en la excavación de prueba.• Medir el nivel, tanto en la excavación de prueba como en el pozo de observación y calcular los valores de h1 y h2 . Igualmente medir las distancias r1 y r2.• Si se trata de un acuífero no confinado hacer uso de la fórmula: Q = (π/2.31) * (p) * [¨(h1 – h2)/(log(r2/r1))] 15
  16. 16. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.• Si el acuífero es confinado hacer uso de la fórmula: Q = (π/2.31) * (p) *(b) * [¨(h1 – h2)/(log(r2/r1))]Donde “b” es el espesor del acuífero confinado. A partir de estas expresiones, calcular lapermeabilidad media del acuífero.• Aplicar la ley de Darcy. Q = PIAEn este caso Q es el caudal que puede brindar el acuífero y P es la permeabilidad media.El área de penetración queda definida por la grava de envoltura del tubo de recolección y lalongitud total del mismo. Para los efectos de captación indirecta de aguas superficiales,normalmente se toma el área de la cara hacia el río, dejando el flujo desde el lado opuestocomo margen de seguridad. El gradiente hidráulico disponible es desde el nivel del aguadel río hasta la grava de envoltura y se determina dividiendo la profundidad de la grava deenvoltura con respecto al nivel estático del agua subterránea entre la distancia desde laorilla del río hasta la galería. 16
  17. 17. Galerías de Infiltración4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico.• Cálculo de la longitud de la galería, se calcula a partir de la expresión: L = Qdisseño / QacuíferoDonde Qacuífero es el caudal disponible en la fuente (rendimiento del acuífero) por unidad delongitud.• Cálculo del área perforada en el tubo recolector, para conocer el número de perforaciones que se requieren en el tubo recolector se utiliza la expresión siguiente: A = Qdisseño / (Ventrada * Cc)Ventrada es por criterios de diseño entre 0.05 y 0.1 mps, el Cc es un coeficiente porcontracción para entradas por orificios y tiene un valor de 0.55.Finalmente el número de orificios se calcula dividiendo el área del tubo recolector entre eldiámetro de los orificios de entrada. 17
  18. 18. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltraciónConsiderando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento de aguatiene quediseñar la galería de filtración de acuerdo con su experiencia y, por lo general,sin un detallado estudio hidrogeológico, resulta práctico efectuar cálculos pormedio de diferentes métodos y variar los parámetros dentro de un rangorazonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados mas probables.Aunque el procedimiento no parece confiable, en muchos casos proporcionabuenos resultados en el diseño de pequeños sistemas de abastecimiento deagua. Emplear diferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permite alproyectista identificar los parámetros o factores de mayor influencia y por lotanto, ayuda a definir las pruebas de campo que se deben realizar.De esta manera, una vez determinada la longitud mínima de la galería seprocede al diseño de los elementos que la componen. 18
  19. 19. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - ColectorEn el diseño del colector se deben considerar los siguientes aspectos:a) Sección con capacidad suficiente para el caudal de diseño.b) Mínimas pérdidas por fricción.c) Área de las aberturas del dren que faciliten el flujo hacia el conducto.5.1.1. DiámetroEl diámetro mínimo es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseño conun tirante no mayor al 50%,y no será menor de 200 mm. para facilitar la limpiezay mantenimiento de los drenes.En las galerías largas, es posible usar distintos diámetros y hay que tener encuenta que los tramos iniciales no necesitan una alta capacidad de conducción,(ver figura 6). 19
  20. 20. Galerías de InfiltraciónFigura 6.- Galería de infiltración con distintos diámetros 20
  21. 21. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector5.1.2 Tipo de materialPor lo general, se usan tuberías comerciales, como las de cloruro de polivinilo (PVC),asbesto cemento, hierro fundido y hormigón simple o armado.Si se evalúan los materiales, se encuentra que la tubería plástica de PVC presenta grandesventajas: es barata, liviana, induce pocas pérdidas por fricción, es fácil de transportar,instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida útil.Los conductos de asbesto cemento tienen la desventaja de ser frágiles y pesados, y sondifíciles de perforar.El hierro fundido tiene alta resistencia a las cargas, gran durabilidad y permite un altoporcentaje de área abierta. Sin embargo su costo es alto y es propenso a lasincrustaciones, las que disminuyen su capacidad hidráulica.Las tuberías de hormigón son pesadas y frágiles, lo que complica su manejo, perforación einstalación. No obstante, pueden instalarse en pequeños tramos con las juntas abiertas. 21
  22. 22. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector5.1.3 VelocidadPara evitar la acumulación del material fino que pueda entrar al conducto, la tubería deldren debe tener una pendiente adecuada que facilite su auto limpieza.Normalmente, la velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser mayor a 0,60m/s. De esta manera, el material fino podrá ser arrastrado hasta la cámara colectoradonde se depositará para su eliminación.La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varían de 0,001 m/m a 0,005m/m. 22
  23. 23. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector5.1.4 Área abiertaNo se recomienda pendientes altas para evitar una profundidad excesiva en casos de galerías de granlongitud.En el diseño del área perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideracióndos aspectos:a) Pérdida de la resistencia estructural de la tubería;b) Velocidad de ingresoEl valor de la máxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partículas finas, varíandesde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y para un coeficiente de contracciónde entrada por orificio de 0,55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de áreaabierta para tener bajas velocidades de entrada.El área abierta por unidad de longitud del conducto estará dada por la siguiente expresión: Qu A = Ve x CcDonde:A = Área abierta por unidad de longitud del conducto (m²)Qu = Caudal de diseño por unidad de longitud (m³/s)Ve = Velocidad de entrada (m/s),Cc = Coeficiente de contracción 23
  24. 24. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector5.1.5 Forma, tamaño y distribución de las aberturasEl tipo de abertura que se practica en las tuberías son las perforaciones y las ranuras, lasque pueden ser realizadas con taladros o discos.Las dimensiones de las perforaciones dependen de las características del conducto.La relación que debe existir entre la mayor dimensión de la abertura y el tamaño de los granos del filtroestá dada por la siguiente expresión:A su vez, la relación de diámetros entre el forro filtrante y el material granular del acuífero debe ser igualo menor a cinco.La distribución de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a lascargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras sedistribuyan uniformemente en el área perimetral, tal como se muestran en la figura 7.El máximo porcentaje de área perimetral abierta depende del tipo de material del conducto, de modoque a mayor resistencia del material, mayor área abierta permisible.* D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 % en peso del material filtrante. 24
  25. 25. Galerías de InfiltraciónFigura 7.- Modelos de drenes 25
  26. 26. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro Filtrante5.2 Forro filtranteSu función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto sin quesea afectada la velocidad de filtración, el forro filtrante debe ser mucho más permeable que el acuífero.El forro filtrante se asemeja a la capa de soporte de los filtros de arena, y se deben seguir lasrecomendaciones que se sintetizan en la Tabla 1. Tabla1. Granulometría del forro filtrante. Capa Diámetro, mm Altura, cm Mínimo Máximo 1 0.5-2.0 1.5-4.0 5 2 2.0-2.5 4.0-15.0 5 3 5.20-20 10.0-40.0 10Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro debe estarcomprendida entre los 5 y 10 cm para lograr una filtración eficiente. Sin embargo, para evitar quedurante la construcción queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usarmayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que lo protege contracualquier defecto constructivo, porque a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante,disminuye el riesgo de que los granos más finos del acuífero sean arrastrados hacia el interior delconducto (ver figura 8). 26
  27. 27. Galerías de InfiltraciónFigura 8.- Distribución de capas concéntricas en el forro filtrante 27
  28. 28. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro FiltranteActualmente, se dispone de geotextiles de material sintético resistente al agua,que pueden ser empleados de manera exitosa en la conformación del forrofiltrante . Al efecto, el geotextil se tiende en el fondo de la zanja o trinchera ysobre él se acomodan las diferentes capas de grava del forro filtrante que han derodear al dren.Una vez concluido el acomodo de todas las capas filtrantes, se cierraconformando el empaque de grava.Encima del empaque se coloca el material de excavación hastaaproximadamente unos 0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno(ver figuras 9 y 10). 28
  29. 29. Galerías de InfiltraciónFigura 9.- Proceso constructivo del pozo filtrante 29
  30. 30. Galerías de InfiltraciónFigura 10.- Sección longitudinal de galería de filtración 30
  31. 31. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro Filtrante5.3.- Sello impermeableEn las galerías ubicadas en las márgenes de los ríos o lagos y en los acuíferos conescurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galería. Sesella con material impermeable para evitar que el agua estancada filtre hacia la galería ycontamine el agua captada. Adicionalmente, la función del sello impermeable es aumentarla longitud del recorrido del agua superficial a través de la masa de suelos, y así mejorar sucalidad física y bacteriológica.El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centímetrosde espesor. Este sello se puede complementar si se coloca en la parte inferior papelimpermeable o geomembrana.Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeablequede un poco más alta que el terreno circundante y con una pendiente que facilite eldrenaje del agua superficial fuera del área donde se ubica el dren (ver figura 11) 31
  32. 32. Galerías de InfiltraciónFigura 11.- Sección longitudinal de galería de filtración 32
  33. 33. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Pozo Colector5.4 Pozo colectorLa función de este pozo es reunir el agua drenada por la galería de filtración y facilitar, sifuera el caso, el bombeo de esta agua. El pozo puede ser circular o rectangular, y susdimensiones deben permitir que un hombre realice labores el mantenimiento de losconductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión (figura 12).Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser de concreto reforzado y losacabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozodebe llevar una abertura para la instalación de una tapa de concreto o de fierro y,dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el accesode un hombre al fondo del pozo.Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centímetros por debajo de laboca de salida del dren para permitir la acumulación de la arena que pudiera ser arrastradapor las aguas captadas y facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsióndel agua, si lo hubiera.En el caso de que la galería esté ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de agua yque el área del pozo esté sujeta a inundación durante grandes avenidas, se debe elevar latapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitarla entrada de agua superficial y la contaminación del agua captada por la galería defiltración. 33
  34. 34. Galerías de InfiltraciónFigura 12.- Detalles del pozo o cámara colectora. 34
  35. 35. Galerías de Infiltración5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltraciónCámaras de inspecciónEn casos de galerías de gran longitud, se colocarán cámaras de inspección en el extremo inicialy a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento.Sin embargo, en pequeñas galerías, se puede colocarse tapones al inicio del ramal. Las cámarasde inspección son similares a las usadas en los sistemas de alcantarillado sanitario, distanciadasentre ellas unos 50 m para diámetros de 200 mm, y hasta de 100 m para diámetros mayores de200 mm.Estas cámaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredesimpermeabilizados.Además, la elevación de la tapa debe estar por encima del nivel máximo que alcanzan las aguasen el caso que la galería se encuentre expuesta a inundaciones5.6.- Válvulas de controlLas válvulas de control deben instalarse en el extremo inferior del dren y en la cámara deinspección o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso del agua porlas ranuras de los drenes o la depresión del nivel freático. Por ningún motivo la columna de aguadeberá ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado. 35
  36. 36. Galerías de Infiltración6.- Riesgos operacionales de las galerías de infiltraciónObstrucción de los orificios del tubo recolector: Es el principal riesgo en el uso de lasgalerías de infiltración como medio para la captación del agua subterránea. ya que a pesardel relleno de grava cierta materia suspendida puede ingresar al tubo, provocando con elpaso del tiempo la acumulación de este material y la posterior saturación del dren. Paraevitar este problema se debe lograr una velocidad del agua en el dren capaz de expulsarcualquier depósito de sedimentos realizando de esta manera su autolimpieza.Velocidad del agua en los drenes : Deber ser superiores a los 0.5 mps pero no mayoresde 1.0 mps de los contrario, las pérdidas por fricción serán demasiado elevadas. Estoprovocará un abatimiento y una extracción del nivel de agua subterránea desigual a lolargo del dren.Presencia de Hierro y Magnesio en el agua subterránea: En este caso los depósitosde ambos elementos químicos pueden obstruir las aberturas del dren y el relleno de grava,siendo necesario en esta situación colocar los drenes a profundidades de 4 a 5 m pordebajo del nivel de agua subterránea existente para evitar que el oxígeno penetre en losdrenes y forme los depósitos de precipitación de estos materiales. 36
  37. 37. Galerías de Infiltración7.- Fuentes de información consultadas.1.- Abastecimiento de Agua. Material de estudio de la Maestría en Ingeniería Ambientalde la Universidad Nacional de Ingeniería. Centro de Investigaciones y Estudios del MedioAmbiente –CIEMA. Curso Académico 2004-2005.2.- Galerías Filtrantes para pequeños sistemas. Hoja de divulgación técnica HDT- No91/ Diciembre 2003. ISSN:1018 -5119. Organización Panamericana de la Salud - OPS.3.- Manual de Diseño de Galerías Filtrantes. Organización Panamericana de la Salud.Año 2000. Lima , Perú. 37
  38. 38. Galerías de Infiltración FinMuchas Gracias!!!!Por su atención!!!! 38

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