Hidrogeología y abatimiento de napas

(84.07) Mecánica de Suelos y Geología

Alejo O. Sfriso: asfriso@fi.uba.ar

Juan M. Sitjá y Balbastro: jsitja@srk.com.ar

Índice

• Aguas subterráneas

• Hidráulica de pozos

• Diseño de sistemas de abatimiento de napas

• Leyes de filtro

• Estudios hidrogeológicos

2

Hid

rog

eo

log

ía

El ciclo del agua

3

Hid

rog

eo

log

ía

Aguas subterráneasH

idro

geo

log

ía

4

Aguas subterráneas

Agua dulce

• 14% por agua subterránea

• 85% por glaciares y casquetes polares

• 1% por las aguas superficiales

Las aguas subte-rráneas tienenmayor calidad quelas superficiales debido al filtrado natural

Hid

rog

eo

log

ía

5

El agua en el suelo

El agua llena total o parcialmente los vacíos interconectados que tienen todos los suelos

Cuando el suelo está casi saturado - hay continuidad de la fase líquida – la presión del agua varía con la profundidad

Cuando el suelo está poco saturado – no hay continuidad de la fase líquida – la presión del agua varía con el tamaño de los poros

Si hay capas intercaladas de arenas y arcillas se puede romper la continuidad de la fase líquida

Hid

rog

eo

log

ía

6

El agua en el suelo

Los estratos de suelo/roca pueden actuar como

• Acuífero: alta permeabilidad y recarga, se puede explotar económicamente

• Acuícludo: baja permeabilidad o recarga, no se puede explotar económicamente

• Acuitardo: no permiten su explotación, recargan estratos adyacentes

• Acuífugo: no contiene una cantidad significativa de vacíos interconectados que permitan el flujo de agua

Hid

rog

eo

log

ía

7

El agua en el sueloH

idro

geo

log

ía

Arena: acuífero libre

Arenisca: acuífero confinado

Granito: acuífugo

Limos plásticos: acuitardo

Arcilla: acuícludo

Leoni 20088

El agua en el suelo

Los pozos en acuíferos confinados pueden ser

• Surgentes

• Semisurgentes

En acuífero libre

• El agua se mantieneal nivel de la napa

• Este nivel fluctúade manera indepen-diente del acuífero

Hid

rog

eo

log

ía

a

b

Zona de recarga

9

Nivel freático y piezométrico

El nivel piezométrico es la medida de la presión del agua confinada

El nivel freático es la cota de superficie libre del agua poral

Hid

rog

eo

log

ía

10

Permeabilidad primaria y secundaria

Permeabilidad primaria

• Flujo de agua a través de los poros del suelo

• Crece con el tamaño de poro

• Decrece con la plasticidad

Permeabilidad secundaria

• Flujo de agua a través de fisuras,macroporos y vetas arenosas

• No correlaciona con las propiedades físicas de los suelos

Hid

rog

eo

log

ía

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Índice

• Aguas subterráneas

• Hidráulica de pozos

• Diseño de sistemas de abatimiento de napas

• Leyes de filtro

• Estudios hidrogeológicos

Hid

rog

eo

log

ía

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Q

rw

h(r)H

Ro

D

Pozo en acuífero confinado

Hipótesis: Flujo radial, laminar, horizontal

Continuidad

Darcy

Reemplazando

� = 2��� � � � = ���

� = � � � = ��ℎ

��

�

2���

��

�= �ℎ → ℎ � =

�

2���ln

�

��+ ℎ� < �

13

Hid

rog

eo

log

ía

Q

rw

h(r)H

Ro

Pozo en acuífero libre

Hipótesis: Flujo radial, laminar, horizontal

Continuidad

Darcy

Reemplazando

� = 2��ℎ � � � � = ���

� = � � � = ��ℎ

��

�

2��

��

�= ℎ � �ℎ → ℎ � =

�

��ln

�

��+ ℎ�

� < �

14

Hid

rog

eo

log

ía

Estimación de caudal

Acuífero confinado

Acuífero libre

Radio de influencia

� =2���

ln���

� − ℎ�

� =��

ln���

�� − ℎ��

� ≅ 3000 � − ℎ�

�

1��

15

Hid

rog

eo

log

ía

Q

rw=0.10m

h(r)

H=12m

Ro

D=4m

Ejercicio: Flujo confinado

Determine el caudal por bomba y la separaciónentre pozos para lograr un abatimiento de 2.5m en una trinchera de 4m de ancho

k=10-4cm/s

ℎ − ℎ� =�

2���ln

�

��

16

Hid

rog

eo

log

ía

Q

rw=0.10m

h(r)

H=12m

Ro

D=4m

Ejercicio: Flujo confinadoSolución

El máximo caudal es tal que hw (altura de agua dentro del pozo) es igual al espesor del acuífero

k=10-4cm/s

ℎ − ℎ� =�

2���ln

�

��

12� − 4� =�

2�10�� ���

4�ln

50�

0.1�→ � = 115

�

ℎ17

Hid

rog

eo

log

ía

Q

rw=0.10m

h(r)

H=12m

Ro

D=4m

Abatimiento que debe aportar cada bomba = 1.25m

La distancia entre bombas se calcula con

18

k=10-4cm/s

� − � − ℎ� =�

2���ln

�/2

��

12� − 1.25� − 4� =115 �/ℎ

2�10�� ���

4�ln

�/2

0.1�→ � = 40�

Ejercicio: Flujo confinadoSolución

Hid

rog

eo

log

ía

Índice

• Aguas subterráneas

• Hidráulica de pozos

• Diseño de sistemas de abatimiento de napas

• Leyes de filtro

• Estudios hidrogeológicos

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Hid

rog

eo

log

ía

Diseño de sistemas de abatimiento de napas

Selección del método de abatimiento

• Bombas en pozos profundos

• Wellpoint

• Otros (drenes horizontales, electroósmosis, etc…)

Estimación del caudal total a bombear

Diseño de la distribución de pozos

• Caudal por bomba

• Superficie freática abatida

Hid

rog

eo

log

ía

20

Selección del método de abatimiento

Materiales gruesos:

• El gradiente hidráuliconatural permite el drenaje

• Los caudales son altos

Materiales finos:

• Se requiere aumentarel gradiente hidráulico

• Los caudales son bajos

Hid

rog

eo

log

ía

,Atmospheric

Note: in header 25 ft; in filter soil in vicinity of wellpo in t ft.

21

Hid

rog

eo

log

ía

Pozos profundos (suelos permeables)

(US Army 1983)22

Wellpoint (suelos poco permeables)H

idro

geo

log

ía

(US Army 1983)23

Hid

rog

eo

log

ía

Elección del sistema de abatimiento

24

Estimación del caudal total a bombearH

idro

geo

log

ía

Pasos

• Se define el área a deprimir y un círculo de área equivalente

• Se aplica la ecuaciónde un pozo único con rw = radio del pozoequivalente

rw

� =��

ln���

�� − ℎ��

25

p1

2 3 4

r1

r2 r3 r4

Hid

rog

eo

log

ía

Diseño de la distribución de pozos

Pasos

• Se asume que cada pozo produce su cono de abatimiento sin interferir con los demás

• Se calcula la superficie 3Dabatida con

• Se ajustan las posicionesde las bombas hasta que todas extraen caudales similares y la superficie queda uniforme

ℎ�� = �� −

�

��� ln

��

��

26

Ejemplo de cálculo H

idro

geo

log

ía

27

Ejemplo de cálculo H

idro

geo

log

ía

Cortes con napa abatida28

Índice

• Aguas subterráneas

• Hidráulica de pozos

• Diseño de sistemas de abatimiento de napas

• Leyes de filtro

• Estudios hidrogeológicos

Hid

rog

eo

log

ía

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La erosión interna

El flujo de agua produce tensiones efectivas que actúan sobre las partículas de suelo

Si el material está mal graduado (por ejemplo gravas gruesa + arcilla) las partículas más finas pasan por los poros de las partículas gruesas: erosión interna

Filtro: retiene los sólidos y deja pasar el agua

Hid

rog

eo

log

ía

30

Diseño de filtros granulares

Criterios

• Una granulometría no muy extendida (erosión interna)

• Poros no muy chicos (o se tapa):

• Poros no muy grandes (o se lavan los finos):

Hid

rog

eo

log

ía

��������

< 20

4 < ���������

/�������� < 40

���������

/�������� < 4

31Nota: Repasar clase de granulometríaCu es coeficiente de uniformdidad, d15 es la abertura del tamiz por el que pasa el 15% (en peso) del suelo

Hid

rog

eo

log

ía

Ejercicio: Diseñar filtros para cada uno de estos materiales

32

Ejercicio: Identificar dónde hay que colocar filtros

Hid

rog

eo

log

ía

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Índice

• Aguas subterráneas

• Hidráulica de pozos

• Diseño de sistemas de abatimiento de napas

• Leyes de filtro

• Estudios hidrogeológicos

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Hid

rog

eo

log

ía

Mediciones en terrenoH

idro

geo

log

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35

0

100

200

300

400

500

6001

98

0

198

2

198

4

198

6

198

8

199

0

199

2

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4

199

6

199

8

200

0

200

2

200

4

200

6

200

8

Ca

ud

al R

ío L

am

as

(L

/s)

Mediciones en caucesH

idro

geo

log

ía

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Modelos conceptualesH

idro

geo

log

ía

37

Determinación de superficies equipotenciales

Hid

rog

eo

log

ía

38

Perfiles de isotransmisividadH

idro

geo

log

ía

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Construcción de mapa hidrogeológicoH

idro

geo

log

ía

40

Concentración Li en 20 años

Hidrogeología y geoquímica

Pozos

Modelo de flujo y transporte de solución para extracción de salmuera

• Optimización de pozos de produccion

• Desarrollo de plan minero para PEA

(Ugorets 2012)41

Hid

rog

eo

log

ía

Impacto operacional: Mina Letseng

42 (Mohomed 2012)

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rog

eo

log

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Impacto operacional: Mina Letseng

43 (Mohomed 2012)

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eo

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Bibliografía

Básica

• Waltham. Foundations on Engineering geology. Spon

• Jiménez Salas y otros. Geotecnia y Cimientos. Ed. Rueda

Complementaria

• Terzaghi, Peck y Mesri. Soil Mechanics in EngineeringPractice. 3ª Ed. Wiley

• Goodman. Engineering Geology. Wiley

• FHWA. Soils and Foundations Reference Manual

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