Diseño de galerias filtrantes

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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 escurrimi