Caudal Unitario Galerias Filtrantes

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OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR UNIDAD DE APOYO TÉCNICO PARA EL SANEAMIENTO BÁSICO DEL ÁREA RURAL MANUAL DE DISEÑO DE GALERÍAS FILTRANTES Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente División de Salud y Ambiente Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana – Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud Auspiciado por: Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación

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  1. 1. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR UNIDAD DE APOYO TCNICO PARA EL SANEAMIENTO BSICO DEL REA RURAL MANUAL DE DISEO DE GALERAS FILTRANTES Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente Divisin de Salud y Ambiente Organizacin Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana Oficina Regional de la Organizacin Mundial de la Salud Auspiciado por: Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperacin
  2. 2. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR UNIDAD DE APOYO TCNICO PARA EL SANEAMIENTO BSICO DEL REA RURAL Manual de Diseo de Galeras Filtrantes Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente Divisin de Salud y Ambiente Organizacin Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana Oficina Regional de la Organizacin Mundial de la Salud Auspiciado por la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperacin Lima, 2002
  3. 3. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR Tabla de contenido Pgina 1. Introduccin 4 2. Hidrologa y ciclo hidrolgico 4 2.1 Hidrologa 4 2.2 Ciclo hidrolgico 5 3. Agua subterrnea 6 3.1 Generalidades 6 3.2 Distribucin vertical de las aguas subterrneas 7 3.2.1 Zona de aeracin 8 3.2.2 Zona de saturacin 8 4. Acufero 9 4.1 Tipo 9 4.2 Propiedades del acufero 4.2.1 Porosidad 10 4.2.2 Conductividad hidrulica o coeficiente de permeabilidad 11 4.2.3 Coeficiente de transmisividad 11 4.2.4 Coeficiente de almacenamiento 12 4.2.5 Caudal o gasto especfico 12 4.2.6 Gradiente hidrulica 12 4.2.7 Radio de influencia 12 5. Captacin de aguas subterrneas 12 6. Galeras 13 6.1 Utilizacin de las galeras 13 6.2 Ventajas de las galeras construidas en materiales no consolidados 14 6.3 Clasificacin de las galeras 14 6.3.1 Segn caractersticas constructivas 14 6.3.2 Segn caractersticas del acufero 15 6.4 Clculo hidrulico 20 6.4.1 Galeras que comprometen todo el espesor del acufero 21 6.4.2 Galeras que comprometen la parte superior del acufero 25 6.4.3 Galeras en acuferos con recarga superficial 28 7. Conductividad hidrulica 30 7.1 Consideraciones bsicas 30 7.2 Pruebas de bombeo 31 7.3 Determinaciones de las conductividad hidrulica 33 7.3.1 Acufero libre con pozos de observacin 33 7.3.2 Acufero libre recarga con agua superficial 34 7.3.3 Pozo con carga de agua 35
  4. 4. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR 8. Seleccin del sitio para la construccin de la galera 38 8.1 Consideraciones previas 38 8.2 Trabajos preliminares 39 8.2.1 Informacin bsica 40 8.2.2 Reconocimiento de campo 40 8.2.3 Trabajos complementarios 40 8.3 Ubicacin de la galera 40 9. Diseo de los componentes de la galera de filtracin 41 9.1 Conducto colector 41 9.1.1 Tamao 41 9.1.2 Tipo de material 42 9.1.3 Pendiente 43 9.1.4 rea abierta 43 9.1.5 Forma, tamao y distribucin de las coberturas 43 9.2 Forro filtrante 46 9.3 Sello impermeable 49 9.4 Pozo colector 49 9.5 Cmaras de inspeccin 51 9.6 Vlvulas de control 51 10. Consideraciones para la construccin y mantenimiento de la galera de filtracin y para la conservacin de la calidad del agua 52 10.1 Construccin 52 10.1.1 Excavacin 52 10.1.2 Extraccin de escombros 52 10.1.3 Extraccin del agua 52 10.1.4 Entibado 53 10.1.5 Sistema de drenaje 54 10.2 Mantenimiento 54 10.3 Calidad del agua 56 Bibliografa 57 Anexos Anexo I Tablas de valores 58 Anexo II Diseo de galera 61 Anexo III Determinacin de la conductividad hidrulica 71 Anexo IV baco para determinar el factor geomtrico A 82
  5. 5. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 4 - Manual de diseo de galeras filtrantes 1. Introduccin Para el hombre la necesidad de utilizar el agua es tan antigua como su propia existencia y por consiguiente, desde sus inicios tuvo la preocupacin por conocer sus caractersticas, sus orgenes, su dinmica y sus diferentes aplicaciones. En la antigedad, tanto los chinos como los sirios, egipcios y romanos fueron muy hbiles en el manejo de las aguas para destinarlas al riego de campos agrcolas y al abastecimiento de agua a las ciudades. Durante la mxima expansin del imperio romano, en donde abarc territorios de cerca de 25 pases actuales, se hicieron construcciones que hoy en da deslumbran por su belleza arquitectnica, pero fueron igualmente importantes sus sistemas de acueductos que suministraban agua potable a sus diferentes poblaciones, as como sus termas y baos pblicos. En Amrica, al igual que en las antiguas culturas europeas y asiticas, las poblaciones tambin se desarrollaron a orillas de ros y lagos. Sin embargo, gran parte de las labores agrcolas se realizaron durante los perodos de lluvia, lo que llev al desarrollo de diferentes tipos de obras hidrulicas con la finalidad de ampliar sus fronteras agrcolas. As por ejemplo, los incas desarrollaron el cultivo en terrazas en las laderas de montaas, que eran irrigadas por complejos sistemas de canales y embalses artificiales de agua. De otra parte, hace ms de 1.500 aos, la cultura Nazca construy galeras de filtracin para irrigar sus campos agrcolas, las que hasta el da de hoy son empleadas con los mismos propsitos. Las galeras de filtracin son obras sencillas que captan agua filtrada en forma natural, funcionando como pozos horizontales. Estas estructuras recolectan el agua sublvea o subsuperficial a todo lo largo de su recorrido y resultan ventajosas cuando es posible su construccin, constituyndose la mayor parte de las veces, en una importante alternativa de suministro de agua, tanto en cantidad como en calidad. Muchos pueblos y ciudades en pases poco desarrollados estn situados a lo largo de ros o lagos, cuyas orillas estn constituidas por capas de arenas y gravas por donde circula el agua sublvea alimentada por aguas superficiales. Estas capas suelen ser fciles de excavar por lo que constituyen excelentes emplazamientos para drenes o galeras. Para esto, se excava la zanja en cuyo fondo se coloca el dren o se horada un socavn al cual se le reviste interiormente, el agua se recolecta en una cmara o pozo central desde donde es conducida para su posterior uso. La longitud del dren o galera depende de la cantidad de agua deseada y de las dimensiones del acufero. 2. Hidrologa y ciclo hidrolgico 2.1 Hidrologa La hidrologa estudia las aguas que se encuentran en las capas superiores de la corteza terrestre. De la totalidad del agua estimada que existe en el planeta (1,384 E6 km3 ),
  6. 6. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 5 - 1,348 E6 km3 se encuentran en los ocanos (97,4%); 27,8 E6 km3 estn en los casquetes polares y nevados (2,0%), mientras que los ros, los lagos y el agua subterrnea estn compuestos por solamente 8,3 E6 km3 (0,6%). La mayor parte del agua evaporada hacia la atmsfera proviene de los ocanos, y otra parte, no menos importante, de los lagos, ros y de la capa superficial del suelo. La evapotranspiracin de las plantas tambin constituye una importante fuente de contribucin. Los cientficos calculan que cada ao se evaporan de los ocanos y de las reas continentales unos 300 km3 de agua. La precipitacin total que cae sobre la tierra es igual a la evaporacin, de tal modo que anualmente retornan a la tierra unos 300 km3 , de los cuales 7,5 km3 caen en la parte continental. 2.2 Ciclo hidrolgico El ciclo hidrolgico consiste en la continua circulacin de la humedad y del agua en el planeta. El ciclo no tiene principio ni fin, pero el concepto de ciclo hidrolgico se origina en el agua de los ocanos, los que cubren las tres cuartas partes del globo terrestre. La radiacin solar calienta la superficie de agua de los ocanos, llevando por evaporacin el agua hasta la atmsfera, donde se rene dando origen a las nubes. Bajo ciertas condiciones, la humedad contenida en las nubes se condensa y precipita a tierra bajo la forma de lluvia, granizo o nieve, elementos que constituyen las variadas formas de precipitacin del agua, la cual es denominada cientficamente como agua meterica. La verdadera fuente de casi todas las reservas de agua dulce en el planeta, la constituye la precipitacin que cae sobre la parte continental y que, de una manera u otra, renueva el agua extrada de lagos, ros y pozos y es empleada en innumerables usos domsticos e industriales. Parte de la precipitacin que ha humedecido la capa superficial del terreno escurre sobre la superficie hasta llegar a algn curso o cuerpo de agua. Otra parte se infiltra en el suelo, de la que una fraccin importante es retenida por las races de las plantas y devuelta a la superficie por accin de capilaridad. Sin embargo, otra parte, no menos importante, percola por debajo de la zona radicular y mediante la influencia de la gravedad se desplaza hasta llegar a la zona de saturacin donde pasa a constituir el depsito subterrneo de agua. Una vez que el agua llega a la zona de saturacin, se inicia su desplazamiento por los poros de los materiales presentes en la referida zona y puede reaparecer en la superficie de lugares situados a elevaciones inferiores al nivel que permitiera su incorporacin al depsito subterrneo de agua. De esta manera, el agua subterrnea puede aflorar por manantiales o filtrarse a travs del material permeable hacia los cursos de agua, viniendo a representar el caudal de los ros en tiempo de estiaje. Los cursos de agua que colectan tanto la escorrenta superficial como los afloramientos naturales, eventualmente llegan hasta los ocanos, inicindose nuevamente el
  7. 7. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 6 - ciclo hidrolgico y constituyndose, de esta manera, en el proceso por el cual la naturaleza hace circular el agua desde los ocanos a la atmsfera y de sta a la corteza terrestre en forma consecutiva. Las fuerzas que hacen posible el ciclo hidrolgico son la radiacin solar, la aceleracin gravitacional, la atraccin molecular y la capilaridad. En la figura 2.1 se presenta un esquema que representa el ciclo hidrolgico. Figura 2.1 Ciclo Hdrolgico Sin embargo, el hombre con su accionar afecta algunos de los componentes del ciclo hidrolgico a travs de la regulacin de los ros o la construccin de presas, canales y otros tipos de obras hidrulicas, as como por la construccin de carreteras, autopistas y ciudades, que alteran el escurrimiento natural, al obstruir el proceso de infiltracin del agua en el suelo. Otros factores que afectan el ciclo hidrolgico son la tala de bosques, la eliminacin de vegetacin, la construccin de pozos y la explotacin indiscriminada de las aguas subterrneas. 3. Agua subterrnea 3.1 Generalidades La hidrologa trata del movimiento del agua dulce en los acuferos que son estratos porosos por donde el agua circula. La base o el fondo del acufero es un estrato impermeable, por lo que es posible que existan acuferos de varios pisos. Segn sus caractersticas hidrulicas, existen dos tipos de acuferos: acuferos libres, donde de algn modo la napa fretica est en contacto con el aire, y acuferos confinados donde el espacio poroso est confinado por estratos impermeables. Desde tiempos antiguos se han utilizado pozos excavados, pozos perforados y galeras filtrantes en el aprovechamiento del agua subterrnea. La excavacin de pozos es una labor lenta y pesada, son de bajo caudal de explotacin a causa de su limitada
  8. 8. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 7 - penetracin en el acufero y normalmente, est compuesto por un hoyo de aproximadamente un metro de dimetro. La habilitacin de pozos perforados se caracteriza por su construccin desde la superficie, y el uso de herramientas pesadas permite alcanzar grandes profundidades y, por lo tanto, la penetracin completa de los acuferos. La instalacin de bombas sumergibles facilita la extraccin de caudales importantes para el abastecimiento de agua. Las galeras filtrantes son sistemas de drenaje, que captan el agua de la napa fretica superficial de los acuferos situados en los lechos sedimentarios de los cauces de los ros. La calidad del agua sublvea est fuertemente vinculada a la calidad del agua superficial; sin embargo, el proceso de filtracin a travs del material poroso conduce a la remocin de slidos suspendidos y de microorganismos, por lo que su concentracin es mucho menor a la del agua superficial que alimenta al acufero. Segn la topografa, el agua puede ser extrada por gravedad o mediante bombas. El empleo de agua subterrnea con fines de abastecimiento tiene ventajas y desventajas. En cuanto a la calidad, se puede generalizar que la filtracin lenta coadyuva a la remocin de los slidos suspendidos y de los microorganismos, confiriendo al agua subterrnea una mayor pureza en comparacin con el agua superficial. Sin embargo, por haber estado en el subsuelo, puede tener mayor contenido de sales minerales como consecuencia que los estratos geolgicos pueden poseer alto contenido de sales solubles. Debido a que las formaciones no consolidadas son las que tienen la mayor probabilidad de contener agua y de ser explotadas con fines de abastecimiento de agua, resulta que muchas veces son de origen martimo, por lo que estas aguas suelen ser salobres y no aptas para el consumo humano. En lo referente a la cantidad, sta depende de las caractersticas de los acuferos, es decir si son libres o confinados, de su espesor y porosidad. Acuferos libres y profundos pueden tener una importante capacidad de almacenamiento que permite la extraccin de caudales sin recarga inmediata, lo que resulta importante en zonas climticas con marcada diferencia. Normalmente, los acuferos confinados tienen poca capacidad de almacenamiento; sin embargo, algunas veces estn conectados con reas de recarga que restituyen los caudales extrados. 3.2 Distribucin vertical de las aguas subterrneas A mayor o menor profundidad, todos los materiales de la corteza terrestre son porosos. Se acostumbra denominar a esta parte zona porosa o de fracturacin, y los poros o fracturas pueden encontrarse parcial o totalmente saturados de agua. El estrato superior, en donde los poros y las fracturas estn parcialmente ocupadas de agua, se denomina zona de aeracin y el que se encuentra por debajo estn completamente llenas de agua y se la conoce como zona de saturacin (ver figura 4.1).
  9. 9. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 8 - Figura 4.1 Distribucin vertical del agua 3.2.1 Zona de aeracin Esta zona presenta intersticios en donde los macroporos contienen aire y los microporos agua adherida por capilaridad. Luego de una lluvia intensa, esta zona puede saturarse o en su defecto, luego de una prolongada sequa, puede llegar a secarse por completo. Cuando llueve con posterioridad a un perodo de sequa, las primeras aguas que caen en la superficie del terreno son retenidas por capilaridad para remplazar a la extrada por las plantas y a la evaporada durante el perodo de sequa anterior a la lluvia. Despus de llenados los poros, el resto del agua de lluvia percolar por gravedad hacia la zona de saturacin. La zona de aeracin se divide en tres franjas: a) hmeda; b) intermedia; y c) capilar. Estas franjas varan en profundidad y sus lmites no pueden ser definidos a partir de las diferencias fsicas de los materiales geolgicos, sino del contenido de agua referida. 3.2.2 Zona de saturacin Esta zona est representada por el espacio que ocupa permanentemente el agua. El nivel de agua en la zona de saturacin tiende a permanecer plana, aunque puntualmente puede presentar inflexiones debidas a la extraccin del agua por bombeo, a la recarga artificial, o al drenaje desde o hacia los ros, etc., llegando en algunos lugares a estar el nivel de agua por encima de la superficie terrestre, tal como sucede en ocasiones con lagos y ros conectados directamente al acufero (ver figuras 4.2 y 4.3). Cuando el nivel del agua tiene una posicin bastante bien definida en un punto determinado se le define como nivel esttico.
  10. 10. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 9 - Figura 4.2 Condiciones de la superficie fretica. Recarga de acufero Figura 4.3 Condiciones de la superficie fretica. Recarga de curso o cuerpo de agua. El agua contenida en la zona de saturacin es la nica que puede ser denominada con propiedad como agua subterrnea. La zona de saturacin podra asimilarse a un gran embalse natural cuya capacidad total es equivalente al volumen de los poros y aberturas que se encuentran llenos de agua. El espesor de la zona de saturacin es muy variable y est definido por la geologa local, el tamao de los poros o intersticios, la recarga y la velocidad de desplazamiento del agua desde la zona de recarga hasta la zona de descarga. 4. Acuferos 4.1 Tipos La palabra acufero proviene del latn y significa que lleva agua. El acufero est representado por formaciones geolgicas de estructura permeable que se encuentran saturadas de agua, y con propiedades fsicas que permiten el almacenamiento y el desplazamiento del agua a travs de ella, y que es capaz de suministrar agua a pozos, galeras y manantiales, los que a su vez pueden ser empleados con algn fin beneficioso. En ciertos acuferos, el agua subterrnea se manifiesta bajo condiciones freticas, es decir, la zona saturada est expuesta a la presin atmosfrica, como si estuviera contenida en un recipiente abierto. Otro trmino aplicado a estos tipos de acuferos es acufero no confinado o agua subterrnea libre y cuando el agua se encuentra confinada por dos estratos impermeables, se le denomina artesiano. En el caso de los acuferos fretico, la
  11. 11. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 10 - presin hidrosttica equivale a la profundidad que media desde la superficie libre del acufero hasta un punto determinado dentro de l. De esta manera, cuando se perfora un pozo dentro de un acufero fretico, el nivel esttico de agua dentro del pozo se halla a la misma elevacin que el nivel fretico, por lo que resulta ser de mayor inters para la construccin de galeras de filtracin. Un acufero puede estar constituido por una a varias capas de grava, arena, piedras calizas cavernosas o un gran estrato de roca no porosa pero fracturada. Los mantos acuferos pueden tener unos pocos metros de espesor o varios cientos de metros; estar situados superficialmente o a gran profundidad, ser de extensin pequea o hasta de gran tamao que abarca cientos de kilmetros cuadrados, pero en todo caso los acuferos son de extensin limitada. 4.2 Propiedades del acufero Las dos propiedades ms importantes de los mantos acuferos son la porosidad y la permeabilidad. Sin embargo, se tiene que una formacin puede ser porosa, pero no necesariamente permeable, por lo que el acufero no puede ser catalogado como tal. 4.2.1 Porosidad Una de las principales propiedades del suelo es la porosidad y est vinculada con la cantidad de agua que puede ser almacenada en el material de la zona de saturacin. La porosidad est representada por el volumen de las aberturas o poros de un determinado volumen unitario de material, es decir es la proporcin del volumen unitario de material no ocupado por el material slido. La porosidad, normalmente se la expresa como porcentaje del volumen bruto del material. As por ejemplo, si a un recipiente de 500cm3 , provisto de una llave de drenaje en la parte inferior, se le enrasa con arena y se encuentra que se necesitan 160 cm3 de agua para cubrir toda la arena, se tiene que la porosidad es igual a 160/500, es decir, 0,32 32%. Aunque la porosidad representa la cantidad de agua que un acufero puede almacenar, no indica cunta de esa agua puede ceder. Cuando el material saturado drena agua por accin de la gravedad, solamente puede ceder una parte del volumen total almacenado en l. La cantidad de agua que un volumen unitario de material deja escapar cuando se le drena por gravedad, se denomina rendimiento especfico, denominado tambin porosidad efectiva. Generalmente, este valor vara entre el 10 y el 30 por ciento. La parte de agua que no puede ser removida por accin de la gravedad es retenida por capilaridad y atraccin molecular. La cantidad de agua que un volumen unitario de material retiene cuando se somete a la accin de la gravedad, se denomina retencin especfica. Tanto el rendimiento especfico como la retencin especfica se expresan como fracciones decimales o porcentajes. El rendimiento especfico sumado a la retencin especfica es igual a la porosidad del material. De esta manera, para el caso del ejemplo anterior, si se encuentra que el volumen de agua drenada es de 100 cm3 , entones se tiene que 60 cm3 son retenidos en los poros de la arena, por lo tanto la retencin especfica es de 0,12 o el 12 por ciento, mientras que el rendimiento especfico es de 0,20 o el 20 por ciento.
  12. 12. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 11 - En resumen, el rendimiento especfico indica la cantidad de agua disponible; y la retencin especifica, la cantidad de agua retenida entre las partculas por atraccin molecular y que no es posible ser extrada. En la determinacin de los conceptos de rendimiento especifico y retencin especifica, es necesario considerar el tiempo. 4.2.2 Conductividad hidrulica o coeficiente de permeabilidad Los experimentos han demostrado que la velocidad del agua a travs de una columna saturada de arena, es directamente proporcional a la diferencia de las cargas hidrostticas en los extremos de la columna, e inversamente proporcional a la longitud de la misma, la expresin matemtica conocida como la Ley de Darcy se expresa como sigue V=kf x (h1 h2) / l Siendo: V = velocidad de flujo (m/d). (h1 h2) = diferencia de cargas hidrostticas (m). l = distancia a lo largo de la trayectoria del flujo (m). kf = constante que depende de las caractersticas del material poroso a travs del cual tiene lugar el movimiento del agua y denominado conductividad hidrulica (m/d). Por lo tanto, la conductividad hidrulica o coeficiente de permeabilidad, es la facilidad con la que un material permite el paso del agua a travs de l, y se define como el volumen de agua que escurre a travs de un rea unitaria de un acufero bajo una gradiente unitaria y por unidad de tiempo. Generalmente se considera la conductividad hidrulica horizontal, pero a veces se hace referencia a su componente vertical, la cual es varias veces menor, pues est afectada por la compactacin de las diferentes capas. La conductividad hidrulica se expresa usualmente en m/d (m3 /m2 -d) o en Darcy, en honor al investigador que defini su expresin matemtica. 4.2.3 Coeficiente de transmisividad Es la capacidad de un medio poroso para transmitir el agua segn el espesor del horizonte acufero y su permeabilidad, y se define como la razn del caudal en metros cbicos por da que fluye a travs de una seccin vertical del acufero, cuya altura es igual a su espesor y cuyo ancho es de un metro y se expresa en m2 /d. T = kf x ha Donde: T = transmisividad (m2 /d) kf = permeabilidad (m/d) ha = espesor acufero (m)
  13. 13. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 12 - 4.2.4 Coeficiente de almacenamiento Es el volumen de agua liberado por la columna de un acufero de altura igual a todo su espesor y de un metro de ancho, cuando la presin diminuye una unidad. Su valor vara de 10-5 a 10-3 . As por ejemplo, el valor de coeficiente de almacenamiento S = 0,01 indica que quedaran libres 0,01 m3 de agua bajo un rea de acufero de 1 m2 cuando la presin hidrosttica desciende 1 m. 4.2.5 Caudal o gasto especfico Es la relacin que existe entre el caudal de bombeo de un pozo y el descenso en el nivel de las aguas subterrneas que esta extraccin provoca. Usualmente se expresa en m3 /d-m o en l/s-m. q = Q / s Donde: q = Caudal especfico (m3 /d-m) Q = Caudal de bombeo (m3 /d) s = Descenso del nivel de las aguas (m) 4.2.6 Gradiente hidrulica Es la pendiente de la superficie piezomtrica en el acufero y se determina por la relacin de la diferencia de niveles entre dos puntos y la distancia entre ellos. (h1 h2) i = l Por lo tanto, la velocidad del flujo tambin puede ser expresada como V = kf x i. 4.2.7 Radio de influencia Es la distancia alrededor de la obra de captacin hasta donde llegan a ocurrir descensos en el nivel de agua cuando se realiza el bombeo. 5. Captacin de aguas subterrneas Una captacin de agua subterrnea es una obra hacia la cual fluye el agua de los pequeos poros, cuando es extrada por medio de alguna obra artificial o implemento mecnico, creando un cono de depresin que se extiende hacia los lados de la zona de extraccin. La depresin resulta ser menos acentuada cuanto ms distante se encuentre del punto de extraccin. En general, cuando se habla de captacin de agua subterrnea, se piensa en pozos perforados, hincados o excavados por ser los ms difundidos y por la amplia difusin y desarrollo que han alcanzado los equipos de perforacin. Sin embargo, desde la antigedad
  14. 14. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 13 - existen otras formas de captacin que tuvieron y siguen teniendo cabida en la explotacin de las aguas subterrneas. El hecho que una excavacin o perforacin se llene de agua, no implica necesariamente que sea una buena captacin. Para ser calificada como tal, despus de vaciada debe estar en capacidad de volver a llenarse rpidamente, e idealmente, que el agua no pueda ser agotada para un determinado caudal de extraccin, es decir, que su poder de recuperacin sea superior a la capacidad de extraccin. Las captaciones pueden agruparse en: a) verticales; b) horizontales; y c) mixtas. Dentro del grupo de las captaciones verticales se tiene a los pozos excavados, pozos hincados y pozos perforados. En el caso de las captaciones horizontales se cuenta con las galeras, zanjas o trincheras y drenes; y entre las captaciones mixtas se tiene a los pozos radiales y otras combinaciones entre los pozos de tipo vertical y horizontal. 6. Galeras En general, las galeras son obras destinadas a la captacin y conduccin del agua subterrnea hasta un punto determinado, bien sea para su distribucin o para consumo. Para efectos del presente documento, se consideran como galeras a los sistemas de captacin de aguas sublveas o subsuperficiales ubicadas en los lechos de los ros o sus mrgenes por medio de drenes o bvedas. La construccin de las galeras requieren de una cuidadosa planificacin de los trabajos para asegurar el buen funcionamiento del mismo y a la vez evitar accidentes. La organizacin de los trabajos y la concepcin de su ejecucin depender en todo caso del tipo de material a excavar, consolidacin o dureza del suelo, profundidad a que se encuentran las aguas subterrneas, entre otras. 6.1 Utilizacin de las galeras Las captaciones ms antiguas fueron pozos excavados, galeras o kanats realizados por lo general en materiales no consolidados por permitirlo los medios constructivos disponibles por entonces, como eran picos y palas. En muchas regiones del mundo, donde la mano de obra es barata, aun se siguen excavando pozos y galeras de la misma forma que hace 3.000 4.000 aos. Las galeras filtrantes pueden construirse en rocas plutnicas, metamrficas, volcnicas y, en menor grado, en sedimentarias consolidadas o carsificadas, siendo la mayor aplicacin en rocas no consolidadas, y particularmente en aquellas ubicadas en los lechos arenosos de ros, alimentados directamente por una corriente superficial de agua de buena calidad. En general, la captacin con galeras est fundamentalmente indicada cuando se desea obtener caudales importantes de agua en zonas prximas a ros o lagos, y/o en acuferos en los que no sea posible o conveniente, producir un importante descenso del nivel piezomtrico.
  15. 15. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 14 - 6.2 Ventajas de las galeras construidas en materiales no consolidados El material no consolidado en donde comnmente se construyen las galeras tiene una composicin litolgica muy variable, conformada por capas de arena, grava, guijarros y arcilla, siendo las principales ventajas de su construccin las siguientes: a) Fciles de excavar o perforar. b) Posicin favorable para recibir la recarga de los ros y lagos al estar ubicados normalmente en el fondo de los valles que frecuentemente corresponden a zonas planas con niveles piezomtricos muy prximos a la superficie. c) Suelos con alta porosidad efectiva, permiten disponer de mayor cantidad de agua subterrnea. d) Permeabilidad ms elevada con respecto a otras formaciones, lo que facilita el desplazamiento del agua. e) Disponibilidad de agua en perodos de escasas lluvias, cuando el caudal de los ros es mnimo o nulo, al permitir que las aguas subterrneas circulen por el material aluvial que conforma el valle del ro, mientras que en perodo lluvioso, el caudal superficial del ro recarga el acufero incrementando la disponibilidad de los recursos hdricos. 6.3 Clasificacin de las galeras 6.3.1 Segn caractersticas constructivas Las galeras pueden ser clasificadas como: a) galeras propiamente dichas, b) zanjas o trincheras, c) drenes y d) captaciones mixtas. a) Galeras propiamente dichas: son excavaciones horizontales que se inician con un emboquillado o boca de entrada, desde donde se procede a excavar la galera propiamente dicha. La parte inferior de la galera se encuentra ubicada por debajo del nivel de agua en la zona de saturacin, y la parte superior en la zona hmeda. La seccin transversal tiene dimensiones suficientes como para permitir el desplazamiento de los equipos y de las personas encargadas de su construccin. Usualmente las secciones son de 1,80 x 0,80 m, con pendientes del piso comprendidas entre uno y diez por mil. Para facilitar los trabajos, deben excavarse pozos de ventilacin cada 40 o 100 m a fin de ventilar la galera y para retirar los materiales provenientes de la excavacin. b) Zanjas o trincheras: estn compuestas por excavaciones a cielo abierto, utilizadas fundamentalmente cuando el agua subterrnea est muy prxima a la superficie del suelo y no se requieren provocar grandes descensos del nivel fratico. Normalmente, las profundidades no exceden los seis metros. Este tipo de obra est
  16. 16. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 15 - expuesta a problemas de crecimiento de algas, erosin, obstruccin por vegetacin o contaminacin superficial. c) Drenes: estn compuestos por perforaciones horizontales o excavaciones de zanja en cuyo interior o fondo se instalan tuberas perforadas o ranuradas conocidas como drenes. Estos drenes se instalan en la zona hmeda del acufero y se encuentran cubiertos con material seleccionado para garantizar un adecuado rendimiento. En el caso del tipo zanja, el relleno se efecta con el material proveniente de la excavacin y se concluye con el sellado de la superficie para minimizar la contaminacin del agua por infiltracin de las aguas superficiales. Normalmente, los dimetros de los drenes son mayores a 200 mm, con pendientes que fluctan entre uno y cinco por mil. Dependiendo de la longitud de los drenes y del nmero de ellos, se instalan buzones de reunin. d) Captaciones mixtas: las galeras propiamente dichas y los drenes pueden combinarse con las captaciones verticales, dando como resultado captaciones del tipo mixto representadas por los pozos radiales, que se ejecutan cuando el nivel de las aguas subterrneas se encuentra a mucha profundidad y hace econmicamente inviable la construccin de cualquier otro tipo de galera. La obra consiste en la construccin de un pozo vertical que se prolonga hasta llegar al nivel fretico, desde donde se inicia la construccin de uno o ms emboquillados o bocas de entrada, mayormente en sentido perpendicular a la direccin del flujo de las aguas subterrneas. En el caso de las galeras propiamente dichas, las secciones y pendientes son similares a las sealadas anteriormente y si la longitud de cada ramal es mayor a 50 m, es conveniente la construccin de pozos para ventilacin y para la extraccin del material de excavacin cada 50m. 6.3.2 Segn caractersticas del acufero A su vez, las galeras de filtracin se clasifican de acuerdo a las principales caractersticas del acufero: a) patrn de flujo; y b) rgimen de escurrimiento. Los patrones de flujo pueden ser de dos tipos: a) lneas de flujo horizontales con equipotenciales verticales, y b) lneas de flujo radiales con equipotenciales cilndricos o semicilndricos. El primer tipo de lneas de flujo es caracterstico de las galeras que comprometen todo el espesor del acufero y est representado por las galeras tipo trinchera, zanja o socavn en donde las lneas de flujo del escurrimiento se asemejan a lneas rectas inclinadas con respecto a la horizontal, y las equipotenciales quedan constituidas por superficies planas que casi coinciden con la vertical, excepto en las inmediaciones de la captacin misma (ver figura 6.1).
  17. 17. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 16 - Figura 6.1 Captacin con lneas de flujo paralelas y equipotenciales casi verticales El segundo tipo de lneas de flujo se presenta en acuferos profundos con galeras superficiales del tipo dren y se caracteriza por que las lneas de flujo del escurrimiento representan curvas radiales dirigidas hacia la captacin, y las equipotenciales quedan constituidas por superficies cilndricas, con el centro en el punto de captacin (ver figura 6.2). Figura 6.2 Captacin con lneas de flujo radiales y equipotenciales cilndricas En cuanto al tipo de rgimen de escurrimiento hacia la captacin pueden existir condiciones de equilibrio y desequilibrio.
  18. 18. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 17 - Las condiciones de equilibrio se presentan cuando, despus de un cierto tiempo, se produce la estabilizacin de la velocidad de escurrimiento y del nivel de depresin de la napa de agua. Para que exista un estado de equilibrio, es indispensable que el caudal extrado por unidad de longitud de galera sea menor o igual al caudal suministrado por el propio acufero o que, en su defecto, exista una fuente superficial de alimentacin de agua. Todo esto conduce a que el nivel de agua en el acufero se deprima hasta un punto fijo que permite el escurrimiento del caudal que se extrae. Las condiciones de desequilibrio no permiten la estabilizacin del escurrimiento, conduciendo a que la depresin en el nivel de agua aumente con el tiempo y las velocidades de escurrimiento disminuyan tambin en este tiempo. Esto es normal cuando la fuente de suministro de agua proviene de terrenos saturados con baja capacidad de recarga. De la combinacin de los factores a) patrn de flujo; y b) rgimen de escurrimiento, se pueden definir las siguientes condiciones: Galeras que comprometen todo el espesor del acufero bajo condiciones de: Equilibrio, o Desequilibrio Galeras superficiales bajo condiciones de: Equilibrio, o Desequilibrio Teniendo en cuenta que las galeras para abastecimiento de agua deben ser diseadas para trabajar bajo condicin de equilibrio, las formulaciones que ms adelante se presentan estn referidos a este tipo de condicin. a) Galeras que comprometen todo el espesor del acufero Esta situacin se da en acuferos de poco espesor, en los que la galera de filtracin se ubica en la parte inferior del acufero, es decir en el estrato impermeable. Las galeras pueden ser de dos tipos: Galeras en acufero con escurrimiento propio: Considera que la masa de agua se desplaza en un solo sentido a travs del estrato permeable y es interceptada por la galera (ver figura 6.3).
  19. 19. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 18 - Figura 6.3 Galera que comprometen todo el espesor del acufero y ubicada en acufero con escurrimiento propio. Galeras en acufero con recarga superficial: El concepto es similar al anterior, a excepcin que el agua de recarga o de reposicin es suministrada por un curso o cuerpo de agua superficial (ver figura 6.4). Figura 6.4 Galera que comprometen todo el espesor del acufero y ubicada en acufero con recarga superficial b) Galeras que comprometen la parte superior del acufero Est representado por acuferos profundos y de gran potencia, en donde la obra de captacin se ubica en la parte superior del acufero y es abastecida por ambos lados. Tambin se presentan dos posibilidades: Galeras en acufero con escurrimiento propio: La galera recolecta los escurrimientos propios del acufero por ambas caras del dren (ver figura 6.5). Figura 6.5 Galera que comprometen parte la superior del acufero y ubicada en acufero con escurrimiento propio
  20. 20. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 19 - Galeras en acufero con recarga superficial: La galera recolecta los escurrimientos tanto del acufero propiamente dicho como del agua proveniente de un curso o cuerpo superficial (ver figura 6.6). Figura 6.6 Galera que comprometen la parte superior del acufero y ubicada en acufero con recarga superficial c) Galeras en acuferos con recarga superficial La caracterstica de estas obras es que la galera se encuentra en un acufero ubicado por debajo de una fuente de agua, la misma que la recarga no producindose el abatimiento de la napa de agua. Estos tipos de captaciones se construyen en fondos de lagos, lagunas y ros. Galeras en acufero de gran espesor: El estrato impermeable se encuentra ubicado a gran profundidad con respecto al lugar donde se encuentra ubicada la galera (ver figura 6.7). Figura 6.7 Galera en acuferos con recarga superficial y ubicado en acufero de gran espesor Galeras en acufero de poco espesor: El estrato impermeable se encuentra ubicado por debajo del dren (ver figura 6.8).
  21. 21. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 20 - Figura 6.8 Galera en acuferos con recarga superficial y ubicado en acufero de poco espesor 6.4 Clculo hidrulico Para el diseo de galeras de filtracin se disponen de varios mtodos de clculo: unos deducidos a partir de la ecuacin de Dupuit y otros identificados con el apellido del cientfico que lo desarroll. Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimiento tiene que disear una galera de filtracin en base a su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta una buena prctica calcular por medio de diferentes mtodos, variando los parmetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados ms probables. Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados para el diseo. El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseo de la galera filtrante, permite al proyectista identificar los parmetros o factores de mayor influencia. Al efecto, en las formulaciones es necesario tener en cuenta las caractersticas del acufero y las caractersticas del dren. Las caractersticas del acufero se identifican por los siguientes parmetros con sus respectivos smbolos y dimensiones: - Conductividad hidrulica o permeabilidad: kf [m/s] - Profundidad del acufero: H [m] - Transmisividad [kf*H] T [m2 /s] - Espesor dinmico del acufero en el punto de observacin: Hb [m] - Espesor dinmico del acufero en la galera: Hd [m] - Pendiente dinmica del acufero: i [m/m] - Porosidad efectiva: S [adimensional] - Radio de influencia del abatimiento: R [m] - Distancia entre la galera y el pozo de observacin: L [m] - Distancia entre la galera y el punto de recarga: D [m]
  22. 22. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 21 - En lo que respecta a la galera de filtracin, sus principales caractersticas fsicas con sus respectivos smbolos y dimensiones son: - Radio del dren: r [m] - Tiempo de extraccin del agua de la galera: t [s] - Abatimiento de la napa de agua a la altura de la galera s [m] - Mnimo tirante de agua encima del lecho del curso o cuerpo de agua superficial: a [m] - Profundidad del estrato impermeable con respecto a la ubicacin del dren: b [m] - Profundidad de ubicacin 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 explotacin de la galera de filtracin y que puede ser: - Caudal unitario por longitud de dren: q [m3 /s-m] - Caudal unitario por rea superficial: q [m3 /s-m2 ] 6.4.1 Galeras que comprometen todo el espesor del acufero La frmula presentada por Darcy en 1856 sobre el movimiento del agua subterrnea, hizo posible el tratamiento matemtico de la hidrulica de los pozos. Aparentemente, Dupuit fue el primero en aplicar este tipo de anlisis, para lo cual asume la existencia de una isla circular asentada en una formacin de caractersticas homogneas y en cuyo centro se ubica el pozo. La frmula de Dupuit representa el clculo clsico de una galera de filtracin. El supuesto bsico es un flujo simtrico hacia una zanja que corta el acufero hasta el fondo del mismo, es decir, hasta llegar a la capa impermeable; y que las lneas de flujo son horizontales con equipotenciales verticales, y la pendiente de la superficie impermeable que define la parte inferior del acufero es pequea en el rea cercana a la galera (ver figura 6.9).
  23. 23. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 22 - Figura 6.9 Galera que compromete todo el espesor del acufero con escurrimiento propio. El caudal especfico q depende del abatimiento s (H Hd) y de la permeabilidad (kf) del acufero. El radio de influencia del abatimiento (R) depende de varios factores. La ecuacin general que define el caudal unitario, y conocida como la ecuacin de Dupuit, es: q = (H2 Hd 2 ) * kf / R La ecuacin es aplicable en los casos que el caudal de extraccin de la galera tipo zanja por unidad de longitud, sea menor al caudal unitario suministrado por el acufero y al efecto, se presentan dos casos: a) acufero con escurrimiento propio y b) acufero con recarga superficial. Acufero con escurrimiento propio: La ecuacin que permite calcular el mximo caudal que puede ser extrado del acufero por una galera tipo zanja abastecida por ambas caras y con el mximo abatimiento del tirante de agua es: q = H * kf * i La ecuacin normalmente aplicada cuando el acufero alimenta a la galera tipo zanja por una sola cara (ver figura 6.9) es: q = (H2 Hd2 ) * kf / (2 * R) En el caso que el acufero permitiese la captacin de agua por ambos lados de la galera de filtracin, la ecuacin aplicable (ver figura 6.10) es: q = (H2 Hd2 ) * kf / R
  24. 24. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 23 - Figura 6.10 Galera que compromete todo el espesor del acufero con escurrimiento propio y alimentado por ambos lados. A su vez, el nivel dinmico del acufero aguas arriba de la galera a una distancia determinada (L) de la galera y cuando el dren es alimentado por un lado, est dado por la ecuacin (ver figura 6.11): Ha = [Hd2 + (2 * q * L) / kf ]0.5 Figura 6.11 Nivel dinmico del acufero en galera que compromete todo el espesor del acufero y alimentado por un lado. El radio de influencia de la galera se determina a partir de las pruebas de bombeo y en el caso de diseo de galeras, se debe tener en cuenta que la explotacin del acufero se realiza hasta alcanzar el punto de equilibrio, por lo que el radio de influencia coincide con el lmite de infiltracin o recarga que alimenta al acufero, es decir, el radio de influencia es un valor constante para cada valor de caudal. Hd
  25. 25. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 24 - De esta manera, el radio de influencia se determina mediante la expresin: R = (H2 Hd2 ) * kf / (2 * q) Una aproximacin en la determinacin del radio de influencia est dada por el teorema de Weber que tiene en cuenta el tiempo de extraccin del agua. Al efecto, se aplicacin es vlida solamente cuando se conoce el tiempo en que se logra el punto de equilibrio. La ecuacin es: R = 3 * [kf * t * s / S]0.5 En caso que el caudal extrado en la galera sea menor que el suministrado por el acufero, la altura del escurrimiento aguas abajo de la galera [Yo] est dado por la frmula (ver figura 6.12): Yo = (qa qb) / (kf* i) Siendo: qa = caudal unitario suministrado por el acufero [m3/s-m] qb = caudal unitario extrado de la galera [m3/s-m] Figura 6.12 Altura de escurrimiento en galera que compromete todo el espesor del acufero. Acufero con recarga superficial: (ver figura 6.13) La ecuacin que gobierna esta situacin es: q = (H2 Hd2 ) * kf / (2 * D)
  26. 26. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 25 - Figura 6.13 Galera adyacente a una fuente superficial. 6.4.2 Galeras que comprometen la parte superior del acufero Considera que la ubicacin del dren por debajo del nivel natural de la napa de agua es pequea en relacin con el espesor del acufero. Al efecto, la relacin profundidad al estrato impermeable versus profundidad al dren es mayor a 10. La ecuacin aplicada en el presente caso es: Acufero con escurrimiento propio: (ver figura 8.14) La ecuacin general que gobierna este tipo de galera es: q = * kf * s /[Ln (R/r)] Donde: R = [q * s / (* kf)] 0.5 / i Remplazando R en la ecuacin anterior se tiene: q = * kf * s /{Ln [(q * s / (* kf)) 0.5 ]/(r * i)}
  27. 27. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 26 - Figura 6.14 Galera que compromete la parte superior del acufero con escurrimiento propio. Esta ltima ecuacin se resuelve por aproximaciones sucesivas. El caudal mximo que puede ser extrado se obtiene cuando el abatimiento de la napa de agua s alcanza la parte superior del dren. La ecuacin de Hooghoudt fue desarrollada para el clculo de drenes paralelos y permite determinar el caudal especfico por rea superficial y expresa el caudal unitario por rea superficial (ver figura 6.15). q = (8 * kf * d * s + 4 * kf * s2 ) / Dd 2 A su vez: d = Dd / [8 * (Fh+ Fr)] Fh = (Dd Hd * 2)2 / (8 * Hd * Dd) Fr = Ln [Hd / (2 * r)]/ Siendo: d = Profundidad equivalente Dd = Separacin entre drenes (m) Para relaciones de Dd/Hd menores a 3,18, la deduccin de los valores de Fh y Fr se debe calcular para una profundidad (Hd) igual a Dd/3,18. En la tabla 1 del Anexo 1 se presentan valores de d para un dimetro de 0,1m. El caudal total de drenaje es igual al rea definida por el espaciamiento entre drenes y la longitud del mismo.
  28. 28. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 27 - Figura 6.15 Galera con drenes paralelos que comprometen la parte superior del acufero. Acufero con recarga superficial: La ecuacin que gobierna esta situacin es similar a la anterior, con la nica diferencia que el radio de influencia de la galera [R] es conocido y est representado por la distancia a la fuente de recarga [D] (ver figura 6.16): q = * kf * s /[Ln (D/r)] Figura 6.16 Galera que compromete la parte superior del acufero adyacente a una fuente de recarga superficial.
  29. 29. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 28 - 6.4.3 Galeras en acuferos con recarga superficial Galera en acufero de gran espesor: Se puede considerar a un acufero de gran espesor, cuando la relacin profundidad del dren al estrato impermeable versus profundidad de ubicacin al dren es mayor o igual a 10. La ecuacin aplicada en el presente caso es (ver figura 6.17): q = 2 * * kf * (z + a) /[Ln (2 * z / r)] Figura 6.17 Galera en acufero de gran espesor con recarga superficial. La experiencia ha demostrado que galeras ubicadas en acuferos con recarga superficial, inicialmente producen el doble de agua que las galeras situadas adyacentes al cuerpo de agua, pero despus de un tiempo son afectadas por el rgimen de sedimentacin la cual altera el valor de la conductividad hidrulica, por lo que se recomienda aplicar la ecuacin deducida a partir de la ecuacin terica anterior: q = 2 * * kf * (z + a) /[4*Ln (1.1 * z / r)] Galera en acufero de poco espesor: figura 6.18 Se considera a un acufero de poco espesor, cuando la relacin profundidad del dren al estrato impermeable versus profundidad al dren es menor a 10. La ecuacin aplicada en el presente caso y obtenida por el mtodo de las imgenes es: q = 2 * * kf * (z + a) /[Ln {(2 * z * (z + b)) / (r * b)}] Al igual que para el caso anterior, se propone el empleo de la siguiente ecuacin q = 2 * * kf * (z + a) /[4*Ln {(1.1 * z * (z + b)) / (r * b)}]
  30. 30. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 29 - Figura 6.18 Galera en acufero de poco espesor con recarga superficial. Otra frmula de amplio uso para acuferos con espordica recarga superficial est dada por la ecuacin de Moody-Ribbens (ver figura 6.19). Esta ecuacin se aplica para una relacin espesor dinmico sobre el dren (pd) y profundidad del acufero (H), menor al 110%. Valores mayores proporcionaran valores de caudal mas pequeos que los reales. q = 2* kf* pd /{[4*kf*t/(*H*S)]0.5 *exp(-r2 *S/(4*T*t)]+r/H*.... ...erf[r2 *s/(4*T*t)]0.5 -2/*ln[exp(*r/(2*H))-exp(-*r/(2*H))]} q = 2* kf* pd /{A0.5 *exp(-B)+r/H*erf[B]0.5 -2/*ln[exp(C)-exp(-C)]} Donde: A = 4*kf*t/(*H*S) B = r2 *S/(4*T*t) C = *r/(2*H) erf(x) = 2*0.5 0 x e -x2 dx
  31. 31. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 30 - Fig. 6.19 Galera en acufero con abatimiento del nivel de agua. Teniendo en cuenta que el producto r/H*erf[B]0.5 es pequeo, la ecuacin puede simplificarse de la manera siguiente: q =2* kf* pd /{A0.5 *exp(-B)-2/*ln[exp(C)-exp(-C)]} En el anexo 2 se presentan ejemplos de clculo de galeras de filtracin. 7. Conductividad hidrulica 7.1 Consideraciones bsicas Los parmetros que influyen en el rendimiento de las galeras de filtracin son la conductividad hidrulica, el espesor del acufero y la gradiente hidrulica, siendo esta ltima importante para los acuferos con escurrimiento propio. De estos tres parmetros, el que influye directamente en todos los tipos de galeras es la conductividad hidrulica y depende de numerosos factores como: a) forma, disposicin y tamao de los granos del material filtrante del acufero, y b) viscosidad y densidad del fluido. Los ensayos de conductividad hidrulica en los laboratorios pueden alcanzar un alto grado de precisin en lo que respecta a la muestra ensayada, pero, como consecuencia de la gran dificultad que demanda la toma de muestras verdaderamente representativas del acufero, pocas veces se llega a obtener valores concordantes entre los ensayos de campo y los de laboratorio. Si bien los mtodos actuales para medir la conductividad hidrulica en el campo son un poco groseros, tienden a definir la conductividad hidrulica promedio de los materiales
  32. 32. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 31 - de un rea determinada y resultan ser ms confiables que los ensayos aislados de laboratorio. Como las galeras de infiltracin, en la mayora de los casos, son captaciones de acuferos poco profundos, la prueba de bombeo del acufero libre con pozos de observacin y flujo estable, es la prueba ms comn y confiable. Si se trata del aprovechamiento de un acufero con escurrimiento propio, el procedimiento recomendado es el de bombeo de un acufero libre con pozos de observacin. Cuando la galera se proyecta construir en las mrgenes de una corriente o masa de agua superficial, es conveniente utilizar el mtodo de acufero libre con recarga superficial. En los casos en que la galera tenga que construirse debajo de un curso o cuerpo de agua superficial y en donde resulta imposible hacer pruebas de bombeo, se impone la necesidad de realizar pruebas de laboratorio en muestras tomadas en distintos puntos y a diferentes profundidades, adoptndose como valor de conductividad hidrulica, el promedio de los resultados obtenidos en las pruebas individuales. El costo de una prueba de bombeo es alto, pues se necesita un pozo de bombeo y por lo menos dos pozos de observacin, as como bombas, medidores y personal con cierta experiencia. Por esto, para comunidades pequeas, muchas veces no se justifica realizar una prueba de bombeo, sino solamente pruebas de laboratorio que muestren el rango en el que se encuentra la conductividad hidrulica y que permita realizar un diseo preliminar. En el cuadro 7.1, se muestran los valores promedio de conductividad hidrulica para diferentes tipos de materiales. Cuadro 7.1 Tabla de conductividad hidrulica de algunos materiales Permeabilidad (m/da) 10-6 a 10-4 10-4 a 10-2 10-2 a 1 1 a 102.5 102.5 a 105 Calificacin Impermeable Poco permeable Algo permeable Permeable Muy permeable Calificacin del acufero Acucludo Acuitardo Acufero pobre Acufero de regular a bueno Acufero excelente Tipo de material Arcilla compacta Pizarra Granito Limo arenosa Limo Arcilla limosa Arena fina Arena limosa Caliza fracturada Arena limpia Grava y arena Arena fina Grava limpia 7.2 Pruebas de bombeo El pozo de bombeo debe penetrar todo el estrato permeable del acufero donde se tiene prevista la construccin de la galera, mientras que los pozos de observacin solamente tienen que alcanzar los niveles de agua en su punto ms bajo. El pozo de bombeo y los pozos de observacin deben ser desarrollados hasta obtener agua libre de turbiedad. De otra parte, los pozos de observacin, en comparacin con los de bombeo, son mucho ms econmicos por tener menores dimetros y por llegar a profundidades menores.
  33. 33. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 32 - Cuando el terreno no est consolidado, situacin que se presenta en la mayora de los casos, es necesario instalar forros en los pozos. Los forros consisten en tubos perforados o ranurados que evitan la entrada de material fino. Si el pozo de bombeo no atraviesa completamente el acufero, en las cercanas del pozo de bombeo se presentar una depresin considerable de la napa de agua, adoptando la superficie de agua una forma semiesfrica. En estos casos, es aconsejable situar los pozos de observacin, con respecto al pozo de bombeo, a una distancia igual o mayor a dos veces la penetracin del pozo en el acufero. En los casos en donde el pozo de bombeo no alcance el estrato impermeable, la perforacin debe prolongarse hasta uno o dos metros por debajo del nivel previsto para la instalacin de la galera. En las pruebas de bombeo para determinar la conductividad hidrulica, generalmente se usa un pozo de extraccin de agua y no menos de dos pozos de observacin. Normalmente, el dimetro de los pozos vara entre 50 y 100mm y, de llevar forros, stos deben tener empaques de grava para minimizar el ingreso de material fino. Para medir la depresin dentro de los pozos de observacin se debe utilizar un sistema que proporcione buenos resultados, siendo el ms comn el empleo de dos polos elctricos conectados a un galvanmetro que ayuda a determinar el nivel de agua en el momento en que los dos polos entran en contacto con ella. Para tener la seguridad de que el caudal extrado es constante, conviene utilizar un medidor con registrador, debiendo estar el caudal de bombeo en el rango normal de operacin del medidor. Antes de instalar el medidor, es necesario bombear el pozo con el fin de eliminar cualquier tipo de material slido que pudiera daarlo. Para la limpieza del pozo es recomendable usar bombas centrfugas de impulsor semiabierto y resistente a la abrasin. De otra parte, la capacidad de la bomba debe ser tal, que logre bajar el nivel del agua en el pozo de bombeo en, por lo menos, unos 15 cm. La verificacin de haber alcanzado las condiciones de equilibrio en el acufero para un caudal constante, se realiza mediante medidas peridicas del nivel de agua en los pozos de observacin hasta obtener valores constantes. Se recomienda ejecutar las pruebas a dos tasas de caudal para comprobar la confiabilidad de los resultados. La prueba de bombeo puede demandar hasta 30 horas de extraccin continua del agua. Un procedimiento ms sofisticado consiste en la construccin de un pequeo tramo de galera, que puede estar compuesto por un pozo vertical o una zanja, que se prolonga hasta por debajo del nivel fretico y sirve de punto de partida para la perforacin del pozo horizontal. En lo posible, el pozo horizontal debe construirse en el nivel donde se tiene prevista la instalacin de los drenes, y debe tener por lo menos dos metros de largo y 100 mm de dimetro. En el interior de este agujero se coloca una tubera ranurada de 50mm de dimetro con su correspondiente empaque de grava. A unos dos metros de distancia del punto medio del dren y perpendicular a l, se perfora un pozo vertical de observacin donde se coloca el tubo piezomtrico con su respectivo empaque de grava. El extremo del tubo del dren del pozo horizontal debe conectarse a un tubo de 100 mm de dimetro con el extremo inferior cerrado. Este tubo funciona como pozo colector y se emplea para extraer el agua drenada por el dren. Antes de iniciar las pruebas de bombeo, la excavacin realizada para la
  34. 34. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 33 - construccin del pozo horizontal debe ser rellenado cuidadosamente con el material de la excavacin, tratando de conservar las propiedades originales del suelo. El modelo zanja consiste en excavar una zanja de dos o ms metros de largo, hasta el nivel donde se tiene previsto el tendido del dren horizontal. Una vez llegado al nivel deseado se instala el tubo de drenaje, de caractersticas similares a lo indicado anteriormente, y se rellena la zanja colocando por capas el material extrado durante la excavacin. El tubo para la extraccin de agua y el tubo piezomtrico son de caractersticas similares a lo descrito anteriormente. 7.3 Determinacin de la conductividad hidrulica 7.3.1 Acufero libre con pozos de observacin Es la prueba de campo ms usada en la determinacin de la conductividad hidrulica, y consiste en bombear el agua de un pozo mientras se realizan lecturas en el nivel de agua, en por lo menos dos pozos de observacin (ver figura 7.1). La prueba se prolonga hasta alcanzar las condiciones de equilibrio, es decir hasta lograr un nivel constante en los pozos de observacin. Esta prueba debe realizarse con una tasa de bombeo constante y la conductividad hidrulica se determina mediante la aplicacin de la ecuacin: kf = Q * ln(R/r)/[ * (Ha 2 Hb 2 )] Siendo: kf = Conductividad hidrulica (m/s) Q = Caudal de extraccin (m3 /s) R = Distancia al pozo de observacin ms lejano (m) r = Distancia al pozo de observacin ms cercano (m) Ha = Carga de agua en el punto de observacin ms lejano (m) Hb = Carga de agua en el punto de observacin ms cercano (m) La frmula de pozo se basa en las siguientes consideraciones: a) Penetracin del pozo de bombeo en todo el espesor del acufero. b) Existencia de condicin de equilibrio, es decir, la tasa de bombeo es constante y el nivel en los pozos permanece estable. c) Material del acufero homogneo, isotrpico y extendido a distancias infinitas en todas las direcciones. d) Pequeas inclinaciones en las lneas de corriente superiores, por lo que las lneas de flujo pueden considerarse horizontales. e) Gradiente hidrulica igual a la pendiente de la lnea de corriente superior y constante en cualquier punto de la vertical . f) Presencia de flujo laminar en toda el rea del cono de depresin. En el caso de emplearse galera en vez de pozo, el procedimiento consiste en determinar el caudal de extraccin correspondiente a una altura prefijada de la columna de agua sobre la galera y la variacin en el tiempo de la columna en el pozo de observacin.
  35. 35. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 34 - Con la informacin del caudal, columna de agua en el pozo de observacin y tiempo de bombeo, se procede a determinar grficamente el mximo caudal de extraccin y la mnima columna de agua en el pozo de observacin. El procedimiento de clculo se presenta en el anexo 3. Figura 7.1 Determinacin de la conductividad hidrulica en acufero libre con pozos de observacin 7.3.2 Acufero libre con recarga superficial La gran mayora de las galeras de infiltracin se construyen en las mrgenes de ros o lagos, por lo que es importante el efecto de la masa de agua sobre las pruebas de bombeo. Las frmulas para determinar la permeabilidad en pozos se obtienen considerando que el acufero tiene extensin horizontal ilimitada, pero en el presente caso, el acufero es truncado por una masa de agua superficial que recarga el acufero (ver figura 7.2). Para cumplir con la condicin de borde impuesta por la interseccin del acufero con la masa de agua, o sea, que la depresin es nula para cualquier tiempo, se aplica el mtodo de las imgenes, en donde se supone la existencia de una recarga de igual caractersticas que las del pozo, pero con valores opuestos y situada simtricamente con respecto al pozo de prueba. La ecuacin que gobierna este tipo de prueba est dada por: kf = Q * Ln (r / r)/( 2 * * H * (H Ha) Siendo kf = Conductividad hidrulica m/s Q = Caudal (m3 /s) r = Distancia del pozo de bombeo espejo al pozo de observacin (m) r = Distancia del pozo de bombeo al pozo de observacin (m)
  36. 36. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 35 - H = Espesor medio del acufero (m) Ha = Carga de agua en punto de observacin (m) Figura 7.2 Determinacin de la conductividad hidrulica en acufero libre con recarga superficial. 7.3.3 Pozo con carga de agua Se presentan dos mtodos de determinacin: a) velocidad de infiltracin de la columna de agua en el pozo, y b) velocidad de recuperacin de la columna de agua en el tubo piezomtrico. a) Velocidad de infiltracin de la columna de agua en el pozo: este procedimiento determina la conductividad hidrulica de la zona de aeracin y se aplica cuando el suelo, donde se proyecta construir la galera de filtracin, tiene caractersticas hidrulicas uniformes tanto en la zona de aeracin como la de saturacin (acufero). De esta manera, la determinacin de la conductividad hidrulica del suelo situado por encima del nivel fretico se le considera como igual o similar a la del acufero. La velocidad de infiltracin se determina en un pozo de 50 a 100mm de dimetro que, luego de saturado se mide la velocidad de descenso del nivel de agua. La diferencia entre los niveles h" de agua en el pozo es objeto de observacin y registro, determinndose sus variaciones en un pequeo intervalo de tiempo t, por ejemplo, un minuto (ver figura 7.3). H Ha
  37. 37. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 36 - Figura 7.3 Medida de la conductividad hidrulica mediante pozo de agua y descenso de la columna de agua. La ecuacin racional es: kf = r * Ln [(ho + r/2) / (h1 + r/2)] / (2 * t) Una otra ecuacin que puede ser aplicada es: kf = 2 * r * h / (2 * ho * t) Siendo: kf = Conductividad hidrulica (m/s) r = Radio del pozo (m) h = Abatimiento de la columna de agua durante el tiempo de observacin (m) ho = Altura, la columna de agua sobre el nivel esttico desde donde se inicia la prueba de infiltracin (m) h1 = Altura, la columna de agua sobre el nivel esttico desde donde termina la prueba de infiltracin (m) t = Tiempo de descenso de la columna de agua (segundos) de ho a h1 Este mtodo de determinacin de la conductividad hidrulica se conoce con el nombre de ensayo de "Tubo Abierto" y est sujeto a errores significativos, a menos que "h" y "t" sean muy pequeos. 2 r
  38. 38. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 37 - Las observaciones, tanto en este ensayo como en los similares, solamente deben iniciarse cuando el suelo alrededor del agujero o perforacin est totalmente saturado. As mismo, en acuferos con alta conductividad hidrulica, las lecturas nunca deben hacerse en los niveles prximos a la conclusin de la prueba; es decir, en las proximidades del nivel esttico de la napa de agua. b) Recuperacin de la columna de agua en un tubo piezomtrico: la velocidad se determina mediante la medicin de la velocidad de recuperacin del nivel de agua dentro en un tubo piezomtrico y para condiciones definidas de napa de agua. La perforacin del pozo piezomtrico se realiza con la ayuda de una barrena o mediante el hincado de un tubo de 2,5 a 5cm de dimetro hasta uno o dos metros por debajo de la probable ubicacin de la galera. El hincado o la perforacin debe hacerse sin alterar la calidad del suelo. Una vez llegada a la profundidad se retira la barrena, en el caso que hubiera sido perforado con ayuda de esta herramienta, y se coloca el tubo piezomtrico. A continuacin se levanta el tubo piezomtrico entre 5 y 20cm para formar una cavidad que facilite el ingreso del agua al interior del tubo piezomtrico. En terrenos poco consolidados donde exista la probabilidad que la caverna colapse, se coloca una rejilla o un empaque de grava, para que funcione como filtro y elemento conservador de la geometra de la caverna (ver figura 7.4). Figura 7.4 Medida de la conductividad hidrulica mediante tubo piezomtrico y ascenso de la columna de agua. Concluida la colocacin del tubo piezomtrico, se realiza el desarrollo del pozo mediante la extraccin del agua con ayuda de una bomba hasta obtener agua libre de turbiedad y sedimentos. Este procedimiento debe efectuarse con mucho cuidado a fin de no alterar la forma de la cavidad.
  39. 39. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 38 - La velocidad de ascenso del nivel de agua, se determina inmediatamente despus del bombeo para eliminar el efecto de la napa fretica, y puede ser ejecutado en cualquier punto entre el nivel esttico de la napa fretica y la base del tubo piezomtrico, siendo recomendable la medicin en el punto medio de la columna de agua. La ecuacin que se aplica es la de Kirkham kf = * r2 * Ln ( h1 / h2 ) / [ A * (t2 t1)] Siendo: kf = conductividad hidrulica (cm/s) r = radio del pozo (cm) h1 = Nivel de la napa de agua en el tiempo t1 (cm) h2 = Nivel de la napa de agua en el tiempo t2 (cm) t2 - t1 = Intervalo de tiempo para que la columna de agua se eleve de h2 a h1 (segundos) A = Factor geomtrico El factor geomtrico A se determina con ayuda de la figura mostrada en el anexo IV. Una aproximacin para radios del pozo (r) entre 1,25 y 5,0cm y profundidad de cavidad (H) entre 2.5 y 10cm se puede obtener por medio de la ecuacin: A= * ( 2 * 2 * r + H/ 2 1) Una segunda frmula vlida para radios del pozo (r) entre 1,5 y 6,0cm y profundidad de cavidad (H) entre 5 y 100cm se puede obtener por medio de la ecuacin: A=- (0,0005 * r + 0,003) * H 2 + (0,15 * r + 1,6 ) * H + 6,5 * r + 5,4 8. Seleccin del sitio para la construccin de la galera 8.1 Consideraciones previas Al proyectarse la construccin de una galera de filtracin como parte de un sistema de abastecimiento de agua, es necesario considerar la prueba de conductividad hidrulica del acufero mediante pruebas de bombeo para definir si el acufero es capaz de proporcionar un caudal predeterminado de agua durante toda la vida del proyecto. Al efecto, es indispensable encontrar un acufero que, en el momento ms crtico, tenga una recarga tal, ya sea subterrnea o superficial, que satisfaga los requerimientos de agua. La localizacin de un acufero con escurrimiento propio, cercano a la superficie y que no se agote durante los perodos ms secos, es bastante difcil, por ello es que la mayora de las galeras de filtracin se construyen en las mrgenes de ros y lagos, o debajo del lecho de los mismos.
  40. 40. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 39 - Si se contara con dos alternativas para ubicar la galera, siendo una de ellas la ubicada en un acufero con escurrimiento propio, y la otra, en las proximidades de la orilla de una masa de agua superficial, se tiene que, en cuanto a la calidad del agua, es preferible seleccionar la primera por tener menor probabilidad de estar contaminada bacteriolgicamente; sin embargo, en cuanto a confiabilidad en el rendimiento, es ms atractiva la segunda alternativa. Los lugares ms convenientes para la construccin de galeras de filtracin son las mrgenes planas de los cursos y cuerpos de agua, con poca diferencia de elevacin entre el nivel del agua y el nivel superior del terreno y prximos a la orilla del curso de agua, con el fin de evitar grandes excavaciones. De otra parte, el material que forma el lecho del ro en la zona de captacin debe tener una granulometra que le permita trabajar a la galera de filtracin como filtro lento. Para minimizar la contaminacin de las aguas captadas por la galera, es recomendable ubicarla lo ms alejada posible de las fuentes de contaminacin tales como: lagunas de estabilizacin, filtros percoladores, letrinas, descargas industriales, etc. As mismo, por cuestiones de seguridad, el lugar seleccionado para la construccin de la galera de filtracin no debe encontrarse expuesto a la accin de erosin por parte de la corriente del curso de agua, que pudiera poner en peligro el dren al adelgazarse el espesor de la capa del suelo que trabaja como filtro, as como la calidad del agua extrada. Esto ltimo es muy importante, por que casi siempre la ribera de los ros est formada por gravas, arenas y limos no consolidados que ofrecen muy poca resistencia a la erosin. En cuanto a la distancia que debe existir entre la galera y la fuente de recarga superficial, puede considerarse como distancia mnima la que pueda recorrer la contaminacin bacteriana presente en el ro o lago. Normalmente, se utiliza la recomendacin de la Organizacin Mundial de la Salud (OMS) con respecto a la distancia que debe existir entre una letrina y una fuente de agua subterrnea y que es no menor a 15 metros. La seleccin entre una galera que comprometa todo el espesor de un acufero o que slo aproveche la parte superior del mismo, depende del espesor del acufero, de la permeabilidad del suelo, del equipo disponible para hacer la excavacin, de las condiciones naturales del rea disponible y, sobre todo, de la demanda de agua. En el caso de un acufero muy delgado, lo ms acertado sera colocar el dren en el fondo, de manera tal que se pueda extraer todo el caudal que escurre por l. En el caso de acuferos de mediano espesor, vale la pena analizar si es ms econmico efectuar una excavacin que comprometa todo el espesor del acufero o solamente la parte superior, lo que conducir a obtener un menor rendimiento por unidad de longitud de galera. 8.2 Trabajos preliminares Teniendo en cuenta que las galeras se construyen por debajo del nivel del suelo, ser indispensable realizar estudios geotcnicos destinado a determinar las caractersticas geomorfolgicas del lugar donde se tiene prevista la construccin de la galera. Una parte
  41. 41. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 40 - importante es el estudio de la geologa de la zona para concer la disposicin del material no consolidado en profundidad, as como sus caractersticas hidrogeolgicas, variaciones en el nivel de las aguas subterrneas a lo largo del ao, entre otros. 8.2.1 Informacin bsica La informacin necesaria para elaborar el diseo de una galera filtrante es: Plano cartogrfico de la zona. Plano geolgico y perfiles transversales. Perfil estratigrfico. Mapa de niveles de las aguas subterrneas y su variacin en el ao hidrolgico. Parmetros hidrogeolgicos determinados por ensayos de bombeo. Anlisis fsico-qumico y bacteriolgico del agua. 8.2.2 Reconocimiento de campo El reconocimiento de campo es un factor imprescindible que permite apreciar el relieve, el afloramiento de rocas, la proximidad de posibles focos de contaminacin, etc. 8.2.3 Trabajos complementarios De no ser suficiente la informacin disponible, ser necesaria la ejecucin de trabajos complementarios como perforaciones exploratorias, trabajos de topografa, ensayos de bombeo de pozos y anlisis fsico-qumico y bacteriolgico de muestras de agua, entre otros. 8.3 Ubicacin de la galera Con la informacin disponible, se podr contar con los siguientes elementos de anlisis: Caractersticas de los horizontes del acufero. Direccin y velocidad del movimiento de las aguas subterrneas. Profundidad del acufero a captar. Propiedades del acufero. Composicin fsico-qumica y bacteriolgica de las aguas subterrneas. Con toda esta informacin ser posible decidir la ubicacin ms conveniente de la galera, as como su direccin, profundidad, dimetro y pendiente. Frecuentemente, la direccin es perpendicular al flujo de las aguas subterrneas, pero si existe una recarga constante de un ro, podr ser paralela a ste. La profundidad ser definida en funcin de la variacin del nivel de las aguas subterrneas, de manera que garantice su funcionamiento durante todo el ao y bajo las condiciones de sequa ms severas.
  42. 42. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 41 - 9. Diseo de los componentes de la galera de filtracin Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimiento de agua tiene que disear una galera de filtracin en base a su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta una buena prctica efectuar clculos por medio de diferentes mtodos, variando los parmetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados ms probables. Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados en el diseo de pequeos sistemas de abastecimiento de agua. El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseo de la galera filtrante, permite al proyectista identificar los parmetros o factores de mayor influencia y por lo tanto, ayuda a definir las pruebas de campo a ser realizadas. De esta manera, una vez determinada la longitud mnima de la galera se procede al diseo de los elementos que la componen. 9.1 Conducto colector En el diseo del conducto colector de la galera se deben considerar los aspectos siguientes: - Seccin con capacidad suficiente para que fluya el caudal de diseo. - Mnimas prdidas por friccin. - rea de las aberturas del dren que faciliten el flujo de agua del acufero hacia el conducto. 9.1.1 Dimetro El dimetro mnimo a utilizar es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseo con un tirante no mayor al 50%, pero en ningn caso la tubera deber tener menos de 200mm. Este dimetro facilita la limpieza y mantenimiento de los drenes. En casos de galeras muy largas, es posible usar distintos dimetros, teniendo en cuenta que en los tramos iniciales no es necesaria una alta capacidad de conduccin, (ver figura 9.1).
  43. 43. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 42 - Figura 9.1 Galera de infiltracin con distintos dimetros. 9.1.2 Tipo de material Por lo general, se utilizan las tuberas comerciales disponibles, entre las que se pueden mencionar las de cloruro de polivinilo (PVC), asbesto cemento, hierro fundido y hormign simple o armado. La seleccin del tipo de material est condicionado por la resistencia estructural del ducto y su capacidad para reaccionar con la calidad de agua. Adicionalmente, los conductos empleados debe ser fciles de perforar. Si se evalan los diferentes tipos de materiales, se encuentra que la tubera plstica de PVC presenta grandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas prdidas por friccin, fcil de transportar, instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida til. Los conductos de asbesto cemento tienen la desventaja de ser frgiles y pesados, y adems, de difcil perforacin. Su manejo e instalacin es delicado, por lo que exige mano de obra especializada. El hierro fundido tiene a su favor la alta resistencia a las cargas, su gran durabilidad y el hecho de que permite un alto porcentaje de rea abierta. Sin embargo, tiene el inconveniente que es muy costoso y propenso a la formacin de incrustaciones las que disminuyen su capacidad hidrulica. Las tuberas de hormign son muy pesadas y frgiles, lo que complica su manejo, perforacin e instalacin. No obstante, pueden ser instaladas en pequeos tramos con las juntas abiertas.
  44. 44. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 43 - 9.1.3 Velocidad Para evitar la acumulacin del material fino que pueda entrar al conducto, la tubera del dren debe tener una pendiente adecuada que facilite su autolimpieza. Normalmente, la velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser menor a 0.90 m/s pero con un valor mnimo de 0,60 m/s. De esta manera, el material fino podr ser arrastrado hasta la cmara colectora donde se depositar para su eliminacin. La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varan de 0,001 m/m a 0,005 m/m. No se recomienda pendiente muy altas para evitar profundizaciones excesiva en casos de galeras de gran longitud. 9.1.4 rea abierta En el diseo del rea perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideracin dos aspectos fundamentalmente: - Prdida de la resistencia estructural de la tubera; - Velocidad de ingreso. Existen diversas opiniones acerca del valor de la mxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partculas finas. Estos valores varan desde 2,5cm/s hasta 10cm/s con un valor recomendado de 3cm/s y calculado para un coeficiente de contraccin de entrada por orificio de 0,55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de rea abierta para tener bajas velocidades de entrada. El rea abierta por unidad de longitud del conducto estar dada por la siguiente expresin: Qu A = Ve x Cc Donde: A = Area abierta por unidad de longitud del conducto (m2 ) Qu = Caudal de diseo de la galera por unidad de longitud (m3 /s) Ve = Velocidad de entrada. (m/s) Cc = Coeficiente de contraccin 9.1.5 Forma, tamao y distribucin de las aberturas El tipo de abertura que se practica en las tuberas son las perforaciones y las ranuras, las mismas que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las caractersticas del conducto. Segn la publicacin "The Desing of Small Dams", del "Bureau of Reclamation", la relacin que debe existir entre la mayor dimensin de la abertura y el tamao de los granos del filtro est dada por la siguiente expresin:
  45. 45. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 44 - D85 de la grava del forro filtrante * 2 Ancho o dimetro de las aberturas (*) D85 es el tamao de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 por ciento en peso del material filtrante. A su vez, la relacin de dimetros entre el forro filtrante y el material granular del acufero debe ser igual o menor a cinco D15 de la grava del forro filtrante 5 D85 del material granular del acufero La distribucin de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el rea perimetral, tal como se muestran en la figura 9.2, lo que evita la creacin de zonas dbiles por donde podra fallar la tubera.
  46. 46. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 45 - Figura 9.2 Modelos de drenes.
  47. 47. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 46 - El mximo porcentaje de rea perimetral abierta depende del tipo de material del conducto, de modo que a mayor resistencia del material, mayor rea abierta permisible. En pruebas realizadas con tuberas de PVC de 200mm de dimetro, la resistencia a la carga externa aplicada con platos paralelos, disminuy en un 20% con un rea abierta del 3,2%. Normalmente, un rea abierta de alrededor del 3,0% permite velocidades de entrada que van a estar por debajo de los valores mximos recomendados. Como los conductos solamente soportan cargas de relleno, es poco probable que colapsen debido a la prdida de resistencia causada por las perforaciones. Por ejemplo, una tubera de PVC de 200 mm de dimetro, clase 10, en una zanja de 0,60 m de ancho, debe resistir, en el peor de los casos, una carga de 1,680 kg por metro lineal, que es mucho menor que la carga mxima admisible en pruebas de laboratorio con un rea perimetral abierta de 3,2% y que es de 3,050 kg/m. 9.2 Forro filtrante Este elemento es de suma importancia en el buen funcionamiento de las galeras de filtracin. Su funcin principal es impedir que el material fino del acufero llegue al interior del conducto sin que sea afectada la velocidad de filtracin, debiendo el forro filtrante ser mucho ms permeable que el acufero. El forro filtrante se asemeja a la capa soporte de los filtros de arena, y pueden aplicarse las recomendaciones que para el efecto existen y que se sintetizan en el cuadro 9.1 Cuadro 9.1 Granulometra del forro filtrante. Dimetro (mm) Capa Mnimo Mximo Altura (cm) 1 0,5 2,0 1,5 4,0 5 2 2,0 2,5 4,0 15,0 5 3 5,0 20,0 10,0 40,0 10 Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro no excede los 5 10cms para lograr una filtracin eficiente. Sin embargo, para evitar que durante la construccin queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que mas bien lo protege contra cualquier defecto constructivo, por que a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riego de que los granos ms finos del acufero sean arrastrados hacia el interior del conducto (ver figura 9.3).
  48. 48. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 47 - Figura 9.3 Distribucin de capas concntricas en el forro filtrante. Actualmente, se dispone de geotextiles confeccionados con materiales sintticos y resistentes al agua, que pueden ser empleados de manera exitosa en la conformacin del forro filtrante. Al efecto, el geotextil se tiende en el fondo de la zanja o trinchera y sobre l se acomodan las diferentes capas de grava del forro filtrante que han de rodear al dren. Una vez concluido el acomodo de todas las capas filtrantes, se procede a cerrarlo conformando el empaque de grava. Encima del empaque se coloca el material de excavacin hasta aproximadamente unos 0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno (ver figuras 9.4 y 9.5).
  49. 49. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 48 - Figura 9.4 Proceso constructivo del pozo filtrante. Fig. 9.5 Seccin longitudinal de galera de filtracin.
  50. 50. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 49 - 9.3 Sello impermeable En las galeras ubicadas en las mrgenes de los ros o lagos y en los acuferos con escurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galera. El sello se ejecuta con material impermeable para evitar que el agua estancada se filtre hacia la galera y pueda contaminar el agua captada. Adicionalmente, la funcin del sello impermeable es aumentar la longitud del recorrido del agua superficial a travs de la masa de suelos, y as mejorar su calidad fsica y bacteriolgica. El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centmetros de espesor. Este sello se puede complementar colocndole en su parte inferior papel impermeable o geomembrana. Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeable quede en un nivel un poco ms alto que el terreno circundante, y con una pendiente que facilite el drenaje del agua superficial fuera del rea donde se ubica el dren (ver figura 9.6). Fig. 9.6 Sello impermeable de galera. 9.4 Pozo colector La funcin de este pozo es reunir el agua drenada por la galera de filtracin y facilitar, si fuera el caso, el bombeo de esta agua. El pozo puede ser circular o rectangular, y sus dimensiones deben permitir a un hombre realizar labores tanto de limpieza como de mantenimiento de los conductos y vlvulas de regulacin de los drenes y de los equipos de impulsin (ver figura 9.7).
  51. 51. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 50 - Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centmetros por debajo de la boca de salida del dren para permitir, de una parte, la acumulacin de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y, de otra parte, facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsin del agua, si lo hubiera. Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser fabricados de concreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozo debe llevar una abertura para la instalacin de una tapa de concreto o de fierro y, dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de un hombre al fondo del pozo. Fig. 9.7 Detalles del pozo o cmara colectora. En el caso que la galera se encuentre ubicada en las mrgenes de un curso o cuerpo de agua y que el rea donde se ubica el pozo est sujeta a inundacin durante grandes avenidas, se debe elevar la tapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitar la entrada de agua superficial y la contaminacin del agua captada por la galera de filtracin.
  52. 52. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 51 - 9.5 Cmaras de inspeccin En casos de galeras de gran longitud, es conveniente colocar cmaras de inspeccin en el extremo inicial y a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento. Sin embargo, en pequeas galeras, en el inicio del ramal puede colocarse tapones. Las cmaras de inspeccin son similares a las usadas en los sistemas de alcantarillado sanitario, distanciadas entre ellas unos 50m para dimetros de 200mm, y hasta de 100m para dimetros mayores de 200mm. Estas cmaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredes impermeabilizados. Adems, la elevacin de la tapa debe estar por encima del nivel mximo que alcanzan las aguas en el caso que la galera se encuentre expuesta a inundaciones (ver figura 9.8). Fig. 9.8 Detalles de la cmara de inspeccin. 9.6 Vlvulas de control Las vlvulas de control deben de instalarse en el extremo inferior del dren y se ubicar en la cmara de inspeccin o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso del agua por las ranuras de los drenes o la depresin del nivel fretico de agua y que por ningn motivo la columna de agua deber ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado.
  53. 53. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 52 - 10. Consideraciones para la construccin y mantenimiento de la galera de filtracin y para la conservacin de la calidad del agua 10.1 Construccin Por lo general, la construccin de una galera de filtracin es una operacin sencilla. En las galeras localizadas en las mrgenes de una corriente o en un acufero con escurrimiento propio, la excavacin puede hacerse con equipo mecnico o manualmente. Normalmente, estos acuferos estn constituidos por material no consolidado por lo que es necesario el uso de entibados para evitar el derrumbe de las paredes de las zanjas o trincheras. 10.1.1 Excavacin Los trabajos comienzan por definir la seccin de la trinchera o zanja, la cual es funcin del tipo de suelo a excavar, de la profundidad de las aguas subterrneas, de la ubicacin del dren, de la forma, de las dimensiones de la trinchera o zanja; y de las caractersticas de los equipos a utilizar durante la excavacin, retiro de los escombros y de la extraccin del agua. Deber considerarse la necesidad de entibar las paredes de la zanja cuando ellas no le proporcionen estabilidad, como ocurre con los materiales no consolidados como las arenas, gravas, arcillas, etc. La direccin y pendiente de la galera deben ser comprobadas cada cierto tramo. 10.1.2 Extraccin de escombros En la excavacin manual, la elevacin de escombros en los primeros metros se hace por paleo, pero posteriormente se emplean recipientes metlicos elevados con polea, torno o montacargas. La polea se dispone suspendida en un trpode, colocado sobre la zanja. La elevacin se realiza con sogas apropiados y el peso de escombros a extraer manualmente no debe superar los 25 kg, pudiendo ser superior si se emplea un torno. A los costados de la zanja debe colocarse un entablado de seguridad, que se prolongue unos 10 20cm por encima de la superficie, para proteger a los poceros de la cada casual del material, bien sea de las paredes de la zanja o de la excavacin. El material de excavacin ser acumulado a una distancia prudente del borde de la zanja para que no obstaculice los futuros trabajos y para que minimice el riesgo de derrumbe de las paredes de la zanja. 10.1.3 Extraccin del agua Una vez llegado al nivel del agua subterrnea, es necesario extraer el agua para que los operarios puedan continuar con la excavacin. El sistema ms elemental es el empleo de electrobombas o motobombas. Es importante evitar paradas imprevistas del proceso de extraccin de agua durante los trabajos de excavacin, por que puede crear situaciones peligrosas a los operarios, principalmente cuando se trabaja con caudales importantes, que podra conducir a que se
  54. 54. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 53 - produzca un rpido ascenso en el nivel de las aguas. Es conveniente que el extremo del tubo de succin est ubicado en pequeas pozas con el fondo por debajo del nivel de excavacin. As mismo, es recomendable la colocacin de escaleras para que, en casos de emergencia, los operarios puedan evacuar la zanja. Las aguas extradas debern ser vertidas lo suficientemente lejos de la zona de trabajo pare evitar su retorno a la excavacin. 10.1.4 Entibado Cuando la excavacin se realice en material muy blando y poco consolidado que pueda derrumbarse, ser necesario emplear entibados. Este proceso se realiza generalmente con tablas de madera colocados verticalmente contra las paredes de la zanja. En la figura 10.1 se presentan los detalles recomendados de entibados para distintas profundidades de zanja Figura 10.1 Detalle de entibados de madera para evitar deslizamientos de la zanja.
  55. 55. OPS/CEPIS/02.61 UNATSABAR - 54 - 10.1.5 Sistema de drenaje Luego de alcanzada la profundidad de diseo se coloca la mitad inferior del forro filtrante. Para realizar esta operacin, es conveniente bajar por bombeo el nivel del agua en la zanja. Despus de la colocacin de las capas inferiores del forro filtrante se coloca la tubera perforada, y para asegurar la correcta pendiente de sta, se debe emplear el procedimiento constructivo aplicado en la instalacin de alcantarillado sanitario. En esta operacin podr emplearse geotextil para preparar el empaque de grava. Una vez instalado el dren en la zanja, se procede a colocar las capas superiores del forro filtrante y al sellado del empaque de grava. El resto de la zanja se rellena con el material excavado hasta unos 0,30m por debajo del nivel natural del terreno, en donde se instala una lmina de geomembrana para facilitar la colocacin del sello impermeable de arcilla compactada u otro tipo de material impermeable, si fuera el caso. En galeras de muy poca longitud, donde no se justifica la construccin de cmaras de inspeccin, es necesario colocarle un tapn al inicio del conducto colector. Es recomendable que la construccin se realice a fines de la estacin de sequa por que: a) facilita la construccin por los bajos niveles de agua; b) requiere de menos bombeo para mantener un bajo nivel de agua; y c) aumenta la probabilidad de que la galera vaya a estar por debajo del nivel de agua establecido en el diseo. Para la construccin del pozo colector y de las cmaras de inspeccin, se utilizan los mismos procedimientos utilizados para la construccin de las cmaras de inspeccin de los sistemas de alcantarillado. 10.2 Mantenimiento La conservacin y mantenimiento sistemtico de la galera es un aspecto muy importante a considerar, lo cual permite garantizar un funcionamiento ptimo y duradero de la captacin. Para ello, cada dos aos deber realizarse una inspeccin tcnica para evaluar el estado de la galera y del forro, y las reparaciones se realizarn aprovechando el perodo de sequa. Una galera adecuadamente diseada y construida debe operar sin problemas y libre de mantenimiento si se cumplen las siguientes reglas: a) No extraer de la galera un mayor caudal de agua que la de diseo. b) Limitar la depresin del nivel fretico hasta 0