8.0 DISEO DE POZOSLa decisin de perforar un pozo es de acuerdo a los resultados obtenidos en el estudio hidrogeolgico, prueba de pozo, anlisis de las caractersticas del material encontrado durante la perforacin, anlisis de la calidad de agua y finalmente el caudal mximo permisible a explotarse mediante el pozo sin que altere la condiciones medioambientales del acufero y de su entorno.

8.1 Diseo de PozosLos factores a tener en cuenta para el diseo de pozo son:

Dimetro y longitud de la entubacin ciega

Dimetro y profundidad de la perforacin

Necesidad o no de prefiltro de grava. Diseo del mismo

Diseo de la rejilla o filtro

a) Dimetro del PozoEl dimetro a disear incluye dos sectores: el sector superior que alojar a la bomba y el sector inferior, por debajo del mximo nivel dinmico o nivel de bombeo o debajo de la mxima longitud de la bomba.

Es decir que el gasto necesario del pozo y su capacidad especfica ms un cierto margen de seguridad por menor eficiencia del pozo, eventuales interferencias, o bombeo continuo, definen la mxima profundidad de la bomba a instalar.

Si se conoce el tiempo y caractersticas de la bomba a instalar puede entonces conocerse el dimetro exterior del cuerpo de bomba o tazones. Luego, el dimetro mnimo interior de la entubacin pasa a dos pulgadas (2") adicionales y el dimetro mximo econmico de cuatro pulgadas (4") ms que el dimetro exterior de los tazones.

Cuando no se ha definido previamente la marca de la bomba, debe operarse dentro de ciertos lmites ya conocidos para distintas bombas, a fin de permitir su instalacin y funcionamiento sin problemas.

En la Cuadro N 01, se muestra las relaciones entre dimetro de pozos y dimetros para bombas de turbina vertical o de motor sumergido. (Se emplean medidas de dimetros en pulgadas por ser las de uso ms comn en pozos y bombas).

Cuadro N 01 DIAMETROS DE POZOS RECOMENDADOS

(Segn E. E. Johnson, 1966)

Rendimiento del pozo

Previsto

(l/s)Dimetro Nominal de la bomba

(")Dimetro

ptimo de la entubacin

(")Dimetro

mnimo de la

entubacin

(")

Menos de 6

5 a 11

10 a 25

22 a 41

40 a 57

53 a 82

75 a 114

100 a 190 4

5

6

8

10

12

14

166 DI

8 DI

10 DI

12 DI

14 DI

16 DI

20 DI

24 DI5 DI

6 DI

8 DI

10 DI

12 DI

14 DE

16 DE

20 DE

DI = Dimetro Interno; DE = Dimetro Externo

En el sector de entubacin por debajo del nivel dinmico mximo estimado puede reducirse el dimetro, tanto de la entubacin como del filtro (rejilla), pero teniendo en cuenta que ello trae aparejado una cierta reduccin de caudal para la misma depresin, lo que significa mayor depresin para el mismo caudal.

b) Dimetro del pozo a perforar

Para revestimiento con cemento en el sector superior, se acostumbra incrementar como mnimo 50 mm (2") respecto del dimetro exterior de la entubacin. Para pozos que se utilizarn en el abastecimiento poblacional e industrial el incremento es de 100 mm (4").

c)Diseo de la Rejilla

La rejilla es un elemento de importancia en el diseo de un pozo sus caractersticas guardan una estrecha relacin con los parmetros hidrulicos del acufero.

En los pozos que captan agua de acuferos no consolidados se requiere un filtro de caractersticas variables a determinar que satisfaga los requerimientos de: sirva como estructura soporte de la formacin acufera; impida el paso de arena; permita la circulacin del agua hacia el pozo a baja velocidad y con la mxima capacidad especfica.

En los acuferos consolidados, rocosos, el pozo perforado deja caras libres a las grietas, por donde fluye el agua; no se requiere estructura filtrante.

Caractersticas de la rejilla

Un filtro o rejilla se define por las siguientes caractersticas tcnicas:

material de fabricacin del tubo;

dimensiones del tubo: dimetro

longitud

abertura de la rejilla

rea libre

tipo de abertura

tamao de abertura

prefiltro de grava

Material de la Rejilla

El material de construccin de la rejilla o filtro debe seleccionarse segn: a) elementos qumicos del agua; b) resistencia requerida. En Cuadros N 02 y 03 se muestran los materiales de rejillas y factores para la seleccin del metal de la rejilla.

La resistencia puede requerirse por presin lateral de las paredes o presin vertical de la columna de entubacin. Esta ltima ocurre por malas prcticas de "clavar" la columna de entubacin en el fondo del pozo, en lugar de suspenderla.

Cuadro N 02 MATERIAL DE FILTROS INDICES DE COSTOS Y USOSMetal o aleacinComposicinIndice de CostoRecomendacin de uso segn composicin y empleo del agua

Acero99.3/99.7 %

Fe; 0.08/0.15

C; 0.20/0.50 Mn (Galvanizado)100Para aguas que no son corrosivas ni incrustantes

Hierro "ARMCO"99.8 % Fe (doblemente galvanizado)120Para aguas relativamente neutras. Se usa para irrigacin

Laton Cobreado Silicico83 % Cu

15 % Zi

1 % Sio2180Para aguas de alta dureza, alto contenido en cloruro de sodio y hierro. Resistente al tratamiento con cido. Empleado en pozos municipales e industriales

Acero Inoxidable74 % acero

18 % Cr

8 % Ni200Para aguas con sulfuro de hidrgeno, oxgeno disuelto, dixido de carbono o bacterias ferruginosas. Para pozos municipales e industriales

"Everdur" Johnson96 % Cu

3 % Sio2 1 % Mn 200Para agua con dureza total muy alta y mucho cloruro de sodio (sin O2), mucho Fe. Resistente al tratamiento con cido. Para pozos municipales e industriales

Super Niquel70 % Cu

30 % Ni240

Agua con mucho cloruro de sodio. No se usa en pozos para agua potable.

Monel70 % Cu

30 % Ni300Agua salada; gran cantidad de cloruro de sodio con oxgeno disuelto. No se usa en pozos para agua potable.

Cuadro N 03. FACTORES A CONSIDERAR PARA LA SELECCION DEL METAL DE LA REJILLA

FactoresAgentesEfectoMetal adecuado

Accin Corrosiva

del Agua

Reaccin cida pH menor a 7.0

Oxgeno (O2) disueltoCorrosin por accin simple o combinada de dos o ms agentes qumicosMetal resistente a la corrosin.

Filtro de un solo metal

Acido (SH2) sulfidrco

Dixido (CO2) de carbono

Cloruros (Cl) ms que 50 ppm

Slidos disueltos, ms de 1000 ppmCorrosin electrolticaFiltro de un solo metal resistente a la corrosin

Accin Incrustante del AguaReaccin alcalina pH mayor a 7.0incrustantesFiltro resistente a la corrosin del Cloro (Cl) y cido clorhdrico (HCl) que se usar para desincrustar o eliminar las pelculas que obstruyen el filtro.

Dureza total de carbonatos mayor a 300 ppmIncrustacin de carbonatos

Hierro total (Fe) mayor a 2 ppmIncrustacin de Fe.

Manganeso (Mn) mayor a 1 ppm, ph alto y 1 O2 disuelto Incrustacin de Mn.

Pelculas

Bacterianas del AguaBacterias ferruginosas o chrenotrixObstruccin por la pelcula gelatinosa y precipitacin de Fe y Mn

El metal de la Rejilla esencialmente depende de:

Composicin qumica del agua

Presencia de limos bacterianos

Necesidades de resistencia a la compresin por las paredes del acufero al bombear o por el peso de la otra tubera y esfuerzos de traccin al colocarlo o extraerlo para mantenimiento.

El metal ha de ser resistente a agentes incrustantes, bacterias que atacan el hierro y cidos usados para limpieza y desinfeccin.

Los siguientes parmetros de calidad de agua indican condiciones de corrosin:a)Acidez del agua pH < 7.0

b)Oxigeno Disuelto (DO) > 2 mg/l

c)Sulfuro de Hidrgeno (H2S) > 1 mg/l

d)Total de slidos disueltos (TDS) > 100 mg/l

e)Dixido de carbono (CO2) > 50 mg/l

f)Cloro (Cl) > 300 mg/l

g)Altas temperaturas incrementan la corrosin

Los siguientes parmetros de calidad de agua indican incrustacin.a)pH > 7.5

b)Dureza Carbonato > 300 mg/l

c)Manganeso > 1 mg/l ms alto pH y alto DO

d)Fierro (Fe) > 2 mg/l

e)Deposicin de arcilla y limo (si la velocidad del agua en el filtro es alta).

c) Dimetro de la Rejilla Se presentan dos casos: a) la bomba est ubicada sobre el filtro; b) la bomba est ubicada dentro del filtro o dentro de una tubera que une una seccin superior del filtro.

Cuando la bomba no est contenida en el filtro el dimetro de ste depende de su capacidad de admisin del caudal a bombear a una velocidad adecuada. La prdida de carga mnima eficiente se obtiene a una velocidad de entrada del agua menor o igual a 3 cm/s (Johnson).

Si la velocidad v es mayor a 3 cm/s debe aumentarse el dimetro y/o la longitud del filtro. Si la velocidad v es mucho menor que 3 cm/s puede analizarse el dimetro y longitud del filtro con criterio econmico.

El rea til por metro de rejilla (filtro) se obtiene de los manuales que proporcionan los fabricantes.

Cuando la bomba debe estar contenida o pasa un tramo de filtro se dimensiona el dimetro segn el Cuadro N 01.

d) Ubicacin y longitud del filtro (rejilla)

La ubicacin y longitud ptima del filtro o rejilla se decide en relacin con el espesor del acufero, abatimiento estimado y estratificacin del acufero. En Cuadro N 04 y Fig N 01, se esquematizan las reglas aconsejables.

En un acufero libre se obtiene el mayor rendimiento y la instalacin ms econmica de un filtro para el tercio inferior del acufero.

En acuferos heterogneos, confinados o libres, cuando el estrato menos permeable est superpuesto al ms permeable, conviene prolongar el filtro de menor abertura dentro del acufero ms permeable para evitar produccin de arena por corrimiento del estrato de menor granulometra.

En acuferos confinados homogneos de poco espesor se puede ubicar un filtro en forma centrada que cubra el 50 al 80 % del espesor del acufero para este caso se obtiene el mayor rendimiento hidrulico y econmico.

En acuferos de mayor espesor se requiere mayor porcentaje de penetracin. Si la longitud del filtro no cubre todo el espesor del acufero se aconseja distribuirlo en la forma indicada en la Fig 02, para obtener el mximo de capacidad especfica del pozo.

Cuadro N 04 UBICACION DEL FILTRO EN DISTINTOS TIPOS DE ACUIFEROS Tipos de AcuferosPorcentaje de filtro del espesor del acuferoUbicacin del filtro en el acuferoDistribucin del filtro en la columna

No confinado o libre, homogneo

33 %Tercio inferior del acuferoUn solo tramo, aberturas uniformes

No confinado o libre, no homogneo

33 - 50 %Sector inferior del estrato ms permeableUn solo tramo. Distintas aberturas segn granulometra de los estratos

Confinado artesiano, homogneo

50 - 80 % menor porcentaje en espesores de 4 a 8 m; mayor porcentaje en espesores mayores de 20 m

Centro del acuferoColumna continua en el centro del acufero

Columna discontinua en todo el espesor del acufero

Confinado artesiano, no homogneo

Centro del estrato ms permeableContinuo o discontinuo; dem acufero homogneo

Distintas aberturas segn granulometra de acufero

d) Dimetro y longitud de la entubacin ciegaSe llama tambin tubera forro, tiene como propsito el de servir de soporte a las paredes del pozo. Generalmente en este tramo va colocada la bomba, otra funcin que debe cumplir es el sellado de capas acuferas. Para determinar el dimetro de la tubera ciega existen Cuadros en funcin del gasto esperado.

La longitud de la tubera ciega, viene dado por el tipo de acufero y la profundidad de los estratos permeables. En el diseo de la tubera forro se deber tener en cuenta la resistencia del material a la compresin, que puede originar las paredes del hueco por derrumbes y otras causas.

e)Dimetro y profundidad de la perforacin

Este viene dado por el dimetro de la tubera ciega que se piensa instalar, as mismo influye el mtodo de perforacin utilizada y el destino o uso que se le va a dar al agua extrada del pozo. Se considera un incremento de 5 cm. como incremento de radio si se trata de pozos para riego, para el caso de abastecimiento poblacional el incremento de radio es de 10 cm.

El dimetro puede ser variable o igual para toda la profundidad cuando el dimetro es variable en los estratos superiores es mayor o menor hacia el fondo.

f)Necesidad o No de PrefiltroEl diseo del prefiltro de grava se establece sobre la base de la informacin granulomtrica de los materiales recopilados durante la perforacin.

Es necesario en consecuencia tener el anlisis granulomtrico de la formacin acufera y de otros estratos atravesados en la perforacin para decidir la necesidad de colocacin de prefiltro de grava o empaque de grava, se recomienda su uso en los casos siguientes:

8.2 Anlisis GranulomtricoEl anlisis granulomtrico y distribucin del tamao de granos de los materiales atravesados durante la fase de perforacin, son esencialmente para identificar el material acufero y poder disear el material que se debe de colocar en el contorno del pozo (prefiltro).

Durante el anlisis granulomtrico, una muestra de acufero se hace pasar a travs de un conjunto de mallas ordenadas con aberturas de mayor a menor tamao.

Cuadro N 05 Tamao de mallas usados

para anlisis granulomtricoMalla NmeroAbertura

mmPulgadas

4

6

10

14

20

25

30

40

60

100

2004.76

3.36

2.00

1.41

0.84

0.71

0.59

0.42

0.25

0.149

0.0740.187

0.132

0.079

0.056

0.033

0.028

0.023

0.017

0.010

0.006

0.003

Curva de Distribucin de Tamao de GranosPara establecer la curva de distribucin de tamaos de granos se elabora un grfico del porcentaje ms fino (por ciento acumulado que pasa) vs dimetros. Una forma resumida para establecer el grfico se presenta en el cuadro siguiente:

Cuadro N 06. Resultados del Anlisis GranulomtricoMalla NmeroAbertura (mm)Peso Retenido Acum (gr)% Retenido Acumulado% Acumulado

que pasa

10

14

20

25

40

60

Fondo2.00

1.41

0.84

0.71

0.42

0.2539

59

129

166

307

372

4049.7

14.6

31.9

41.1

76.0

92.1

10090.3

85.4

68.4

58.9

24.0

7.9

0.0

La curva granulomtrica se usa para determinar los dimetros efectivos y promedio del material de acufero.

El dimetro caracterstico de un material tal que el 10% es ms fino y el 90% es ms grueso con respecto al peso total de la muestra es denominado como dimetro de Hazen y es denotado por D10. Usando D10 y D60 se determina el coeficiente de uniformidad.

El dimetro efectivo a menudo, es utilizado para determinar la permeabilidad. Un suelo bien graduado tiene un coeficiente de uniformidad bajo; un suelo con coeficiente de uniformidad menor que 2 es considerado uniforme; no uniforme entre 2 y 4 y altamente no uniforme mayor que 4.

Valores caractersticos de dimetros de granos como D10, D50, D60, D85 son usados para el diseo de filtros granulares con varios propsitos.

Para decidir la necesidad de colocacin de prefiltro de grava o empaque de grava, se recomienda su uso en los casos siguientes:

Acufero de arenas finas y tamao de grano uniforme

Formaciones muy estratificadas con capas alternadas

Acuferos de aguas muy incrustantes

Se considera que hay necesidad de prefiltro cuando:

Los materiales tienen Cu < 3 y D10 ( 0.25 mm.

D10 ( 2.5 y Cu ( 2.5, no hay necesidad de prefiltro si:

D10 < 2.5 y Cu ( 5 ,

D10 ( 2.5 y Cu > 2.5

8.4Diseo de la Rejilla o filtroComprende la seleccin de longitud, dimetro, tamao de abertura y consideraciones acerca del metal a utilizar.

La longitud de la rejilla es determinada por el espesor del acufero, estratificacin y posible descenso dinmico del nivel del agua. En principio la rejilla debe tener el mayor largo posible. En acuferos libres homogneo de gran espesor la longitud de la rejilla ser de 1/2 a 1/3 del espesor, colocada a partir de la base impermeable. En acuferos homogneos confinados la longitud de la rejilla debe ser del 70% al 80% del espesor del acufero colocndose en posicin centrada. En acufero estratificado la rejilla estar colocada frente a los estratos ms permeables. La longitud ptima de la rejilla se estima segn:

Q = caudal en m3/s

Vp = velocidad ptima de entrada m/s

Ao = rea abierta en m2/m de longitud de rejilla

Segn Johnson la Vp = 3 cm/s. Walton establece el criterio de velocidad ptima permisible segn la permeabilidad, el rea abierta efectiva la considera como 50% del rea abierta: Ao = 0.5; donde A el rea abierta que proporcionan los fabricantes.

VELOCIDADES PTIMAS DE PASO DE AGUA POR LA REJILLA

K (m/da)V (cm/s)

> 240

240

200

160

120

100

80

60

40

20

< 206.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

K (mm/da) Permeabilidad del Acufero;

V (cm/s) Velocidad Optima de Entrada de agua por las aberturas de la rejilla.

Tamao de abertura de la rejilla

En pozos con desarrollo natural el tamao de la abertura del filtro (slot) est basado en la curva de distribucin de tamao de dimetro. El diseo de la abertura de filtro en pozos con paquete de grava filtrante se hace concordante con la granulometra mnima del prefiltro.

a)Acuferos de grano uniforme, 3 < Cu ( 6 Si hay posibilidad de derrumbe del material utilizar como tamao de abertura D40.

En caso de no haber posibilidad de derrumbe utilizar D60.

b)Acuferos de grano no uniforme Cu > 6 Con posibilidad de derrumbe utilizar D50 Sin posibilidad de derrumbe utilizar D70c) Acuferos estratificados Si D50 material grueso ( 4 D50 material fino, sacar el clculo para el material ms fino y poner una sola rejilla.

Si no se cumple condicin anterior disear una rejilla para cada estrato del cual se desea sacar agua.

Ejemplo de Aplicacin acufero confinado

con presencia de barrera impermeable lateral a 350 m.

presencia de pozo interferente de bombeo a 300 m. Q = 30 l/s

tiempo de bombeo = 18 h/da

pozo de Q = 40 l/s y perodo de operacin 20 h/da

/ db = 350 m.

Q=40 l/s di=300 m. Qi = 30 l/s

/------------------O------------------O

/

Pozo-1

Pozo-2

Litologa:

0 25 m. arcilla

25 35 m. arena fina

35 45 m. arena media

45 50 m. arcilla

Anlisis granulomtrico:

MaterialD10D40D50D60Cu

Arena Fina

Arena Media0.10

0.180.22

0.340.24

0.380.25

0.442.5

2.44

Di (mm)= dimetro

Datos:

T = 5 x 103 m2/s

S = 103 Q = 40 l/s

Qi = 30 l/s

C = 1000 seg2/m5 NE (piez) = 3.00 de prof.

rp = 0.152 m.

t = 20 hr = 72,000 seg.

ti = 18 hr = 64,800 seg.

SOLUCION:

DISEO HIDRAULICOST = Sf + Si + Sb Sr + Spp + Sd + Sperf.

DISEO FISICOa)Dimetro de rejilla:

segn Cuadro 8-1 para Q=40 l/s se recomienda un dimetro ( =12"

b) Necesidad de prefiltro:

arena fina: Cu=2.5 y D10=0.10 mm > REQUIERE PREFILTRO

arena media: Cu=2.44 y D10=0.18 mm > REQUIERE PREFILTRO

Una sola abertura de rejilla o dos:

Por tanto se requiere una sola rejilla y se trabaja con material ms fino.

Granulometra de prefiltro segn criterio de WALTON

Dxpf = 5 DxacD10 D40 D50 D60 Cu

0.5 1.1 1.2 1.25 2.5

c) Tamao de abertura de rejilla:

de granulometra de prefiltro se utiliza D10 D10 pf = 5 D10 ac = 0.5 mm > 0.020"

Del cuadro 9.1 se deduce rejilla N 20 EVERDUR que para ( 12" > = 77 pul2/pie = 1629.8 cm2/m

d) Longitud de rejilla:

e) Ubicacin del filtro:

se consideran dos tramos: 8.5 y 8.0 m. separados por 2.0 m. de tubo ciego.

- espesor de acufero 20 m. >1.0 m. fondo (trampa),

0.5 m. por debajo de techo de acufero

f)Dimetro y longitud de tubo ciego:

( = 12"

L = 0.3 por sobre el terreno

25.5desde el terreno y 0.5 m. por debajo del techo del acufero

2.0 entre filtros

1.0 trampa de arena

------------------

Total 28.8 m.

g) Espesor prefiltro: 4"

h) Dimetro y profundidad de perforacin:

( = 12" + 8" = 20"

Profundidad: captar totalidad de capa acufera: 45 m.

EJERCICIO PROPUESTOProyectar un pozo con prefiltro de grava.

Datos:

1.Columna estratigrfica del pozo de ensayo:

Arcilla con estratos de arena 0 75 m.

Arena fina 75 84 m.

Arena media 84 90 m.

Arcilla + 90

2.Caudal deseado: 130m3/h (800 gpm)

3.Nivel de agua 22,5 m.

4.Slidos disueltos totales: 1,200 ppm

5.Estimacin de la menor permeabilidad posible de la muestra entre 84 y 90 m; 12,3 m3/dEQ \O(i,')a/m2 = 0.512 m3/hora/m2.

6.Anlisis granulomtrico.

Abertura de tamiz Porcentaje retenido, acumulado %

(pulgadas) (mm) entre 75 y 84 m. entre 84 y 90 m

----------------------------------

A B

0,033 0,84

0

0,023 0,59

1 18

0,017 0,42

16 46

0,012 0,30

31 70

0,008 0,20

70 86

0,006 0,15

84 90

0,004 0,10

90

Haga un proyecto de un pozo con prefiltro de grava en el cual consta:

a)Dimetro del revestimiento y su extensin.

b)Granulometra de prefiltro de grava.

c)Abertura, dimetro y posicin de rejilla.

d)Dimetro de perforacin, teniendo en cuenta el espacio necesario para el prefiltro.

e)Diseo esquemtico de pozo completo mostrando las dimensiones.

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