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Galerías de Infiltración

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Universidad Nacional de Ingeniería

Centro de Investigación y Estudios del Medio Ambiente

Maestría en Ingeniería Ambiental

Asignatura: Abastecimiento de Agua

Trabajo de Curso: Obras de Captación

Galerías de Infiltración Presentado por : Sergio Enrique Álvarez García Manrique Castillo Sancho

Docente:

M.Sc. Yalena Navarro Cajina. Managua, Nicaragua

18 de Junio del 2011.


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Introducción Una galería de infiltración es una forma de captar el agua subterránea que se encuentra muy próxima a la superficie - subsuperficial - y cuyos afloramientos se presentan dispersos en áreas considerables. El uso de estas obras de captación de agua, se limita a casos en que el agua subterránea se encuentre a una profundidad de 5 a 8 metros por debajo del suelo. Son recomendadas cuando se va a captar el agua subterránea de acuíferos de poca profundidad con un pequeño espesor saturado y además en zonas costeras en donde el agua dulce se encuentra por encima del agua salada.


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I.- Principio de funcionamiento Una galería de infiltración consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeando de una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuífero superficial, o en el caso de captación indirecta de aguas superficiales, en el estrato permeable que se comunica con dichas aguas. En los extremos aguas arriba de la galería y a una longitud aproximada de 50 m, normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo se construye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeo hacia el sistema de distribución (Fig.1). El tubo de recolección usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su diámetro es función del gasto, siendo el más recomendable del orden de 200 ó 250 mm.


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Figura 1.- Detalle de una Galería de infiltración


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II.- Criterios para la ubicación de las galerías de infiltración. La galería de infiltración se orienta con la dirección predominante del flujo subterráneo. Cuando la velocidad de un rio es pequeña y existen extractos de alta permeabilidad que se conectan, la galería normalmente se instala paralela al eje del mismo. En este caso, la dirección del flujo subterráneo principalmente es desde el río hacia la galería, aunque desde el lado opuesto de la misma también penetrará el agua, ya que el río y la instalación de la galería será análoga (Fig. 2 y 3). En caso de cursos rápidos y extractos de baja permeabilidad, será necesario investigar la dirección del flujo subterráneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galería de infiltración. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del río dan los resultados deseados (Fig. 4). Cuando no existen extractos permeables con la excepción de unos bancos de arena o grava depositados por el río en un lecho limitado la galería se instala por debajo del río, normal a su eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de muy baja permeabilidad. (Fig.5).


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Figura 2.- Galería de infiltración con flujo del río hacia la galería


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Figura 3.- Galería de infiltración con flujo del acuífero al río y la galería.


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Figura 4.- Galería de infiltración en extractos poco permeables


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Figura 5.- Galería de infiltración bajo el lecho de un rió


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3.- Ventajas de las galerías construidas en materiales no consolidados El material no consolidado en donde comúnmente se construyen las galerías tiene una composición litológica muy variable, conformada por capas de arena, grava, guijarros y arcilla, siendo las principales ventajas de su construcción las siguientes: a) Fáciles de excavar o perforar. b) Posición favorable para recibir la recarga de los ríos y lagos al estar ubicados normalmente en el fondo de los valles que frecuentemente corresponden a zonas planas con niveles piezométricos muy próximos a la superficie. c) Suelos con alta porosidad efectiva, permiten disponer de mayor cantidad de agua subterránea. d) Permeabilidad más elevada con respecto a otras formaciones, lo que facilita el desplazamiento del agua. e) Disponibilidad de agua en períodos de escasas lluvias, cuando el caudal de los ríos es mínimo o nulo, al permitir que las aguas subterráneas circulen por el material aluvial que conforma el valle del río, mientras que en período lluvioso, el caudal superficial del río recarga el acuífero incrementando la disponibilidad de los recursos hídricos.


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento tiene que diseñar una galería de filtración en base a su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeológico, resulta una buena práctica calcular por medio de diferentes métodos, variando los parámetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados más probables. Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados para el diseño. El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permite al proyectista identificar los parámetros o factores de mayor influencia.


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. Al efecto, en las formulaciones es necesario tener en cuenta las características del acuífero y las características del dren. Las características del acuífero se identifican por los siguientes parámetros con sus respectivos símbolos y dimensiones:

Conductividad hidráulica o permeabilidad: kf [m/s]

Profundidad del acuífero: H [m]

Transmisividad [kf*H] T [m2/s]

Espesor dinámico del acuífero en el punto de observación: Hb [m]

Espesor dinámico del acuífero en la galería: Hd [m]

Pendiente dinámica del acuífero: i [m/m]

Porosidad efectiva: S [adimensional]

Radio de influencia del abatimiento: R [m]

Distancia entre la galería y el pozo de observación: L [m]

Distancia entre la galería y el punto de recarga: D [m]


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. En lo que respecta a la galería de filtración, sus principales características físicas con sus respectivos símbolos y dimensiones son:

Radio del dren: r [m]

Tiempo de extracción del agua de la galería: t [s]

Abatimiento de la napa de agua a la altura de la galería s [m]

Mínimo tirante de agua encima del lecho del curso o cuerpo de agua superficial: a [m]

Profundidad del estrato impermeable con respecto a la ubicación del dren: b [m]

Profundidad de ubicación del dren con respecto al fondo del curso o cuerpo de agua superficial: z [m]

Carga de la columna de agua sobre el dren pd [m] Adicionalmente, se tiene el caudal de explotación de la galería de filtración y que puede ser:

Caudal unitario por longitud de dren: q [m3/s-m]

Caudal unitario por área superficial: q’ [m3/s-m2]


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. Por su ubicación, las galerías de infiltración son captaciones donde puede admitirse que el método de equilibrio para fuentes subterráneas es aplicable. A fin de determinar las características de diseño de las galerías es necesario hacer excavaciones o perforaciones de prueba en cada caso específico, las cuales permitirán conocer: • Permeabilidad media del acuífero para estimar la producción por metro lineal de galería. • Granulometría del terreno para determinar las características de la grava de envoltura. Gastos Pequeños: 3 a 5 lpps.

En el caso de gastos pequeños del orden e 3 a 5 lps, normalmente basta con una excavación de prueba hasta una profundidad conveniente por debajo del nivel estático del agua. Se extrae luego el agua con bomba, a una tasa fija y se observa el descenso de nivel. La estabilización de dicho nivel para una tasa fija de bombeo prolongado, significará que el recargamiento natural del acuífero desde el río (en el caso de captaciones indirecta de fuente superficial), iguala el gasto extraído. A base de este gasto y estimando el área total de penetración del agua en la excavación de prueba, puede formarse una idea acerca de la longitud necesaria de galería para el gasto deseado.


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. Gastos Mayores Cuando se trata de gastos mayores, además de la excavación de prueba, será necesario perforar o excavar uno o varios pozos de observación, a fin de determinar el descenso del nivel de agua a cierta distancia del punto donde se efectúa el bombeo de prueba. En este caso, el procedimiento para determinar la longitud necesaria de la galería para el gasto de diseño es: • Bombear a una tasa constante hasta que el nivel de agua se establece en la excavación de

prueba. • Medir el nivel, tanto en la excavación de prueba como en el pozo de observación y calcular los

valores de h1 y h

2 . Igualmente medir las distancias r

1 y r

2.

• Si se trata de un acuífero no confinado hacer uso de la fórmula:

Q = (π/2.31) * (p) * [¨(h1 – h

2)/(log(r

2/r

1))]


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. • Si el acuífero es confinado hacer uso de la fórmula:

Q = (π/2.31) * (p) *(b) * [¨(h1 – h

2)/(log(r

2/r

1))]

Donde “b” es el espesor del acuífero confinado. A partir de estas expresiones, calcular la permeabilidad media del acuífero. • Aplicar la ley de Darcy.

Q = PIA

En este caso Q es el caudal que puede brindar el acuífero y P es la permeabilidad media.

El área de penetración queda definida por la grava de envoltura del tubo de recolección y la longitud total del mismo. Para los efectos de captación indirecta de aguas superficiales, normalmente se toma el área de la cara hacia el río, dejando el flujo desde el lado opuesto como margen de seguridad. El gradiente hidráulico disponible es desde el nivel del agua del río hasta la grava de envoltura y se determina dividiendo la profundidad de la grava de envoltura con respecto al nivel estático del agua subterránea entre la distancia desde la orilla del río hasta la galería.


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4.- Criterios de Diseño - Cálculo hidráulico. • Cálculo de la longitud de la galería, se calcula a partir de la expresión:

L = Qdisseño

/ Qacuífero

Donde Qacuífero

es el caudal disponible en la fuente (rendimiento del acuífero) por unidad de

longitud.

• Cálculo del área perforada en el tubo recolector, para conocer el número de perforaciones que se requieren en el tubo recolector se utiliza la expresión siguiente:

A = Q

disseño / (V

entrada * C

c)

Ventrada

es por criterios de diseño entre 0.05 y 0.1 mps, el Cc

es un coeficiente por

contracción para entradas por orificios y tiene un valor de 0.55. Finalmente el número de orificios se calcula dividiendo el área del tubo recolector entre el diámetro de los orificios de entrada.


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento de agua tiene que diseñar la galería de filtración de acuerdo con su experiencia y, por lo general, sin un detallado estudio hidrogeológico, resulta práctico efectuar cálculos por medio de diferentes métodos y variar los parámetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados mas probables. Aunque el procedimiento no parece confiable, en muchos casos proporciona buenos resultados en el diseño de pequeños sistemas de abastecimiento de agua. Emplear diferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permite al proyectista identificar los parámetros o factores de mayor influencia y por lo tanto, ayuda a definir las pruebas de campo que se deben realizar. De esta manera, una vez determinada la longitud mínima de la galería se procede al diseño de los elementos que la componen.


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector En el diseño del colector se deben considerar los siguientes aspectos: a) Sección con capacidad suficiente para el caudal de diseño. b) Mínimas pérdidas por fricción. c) Área de las aberturas del dren que faciliten el flujo hacia el conducto. 5.1.1. Diámetro El diámetro mínimo es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseño con un tirante no mayor al 50%,y no será menor de 200 mm. para facilitar la limpieza y mantenimiento de los drenes. En las galerías largas, es posible usar distintos diámetros y hay que tener en cuenta que los tramos iniciales no necesitan una alta capacidad de conducción, (ver figura 6).


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Figura 6.- Galería de infiltración con distintos diámetros


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector 5.1.2 Tipo de material Por lo general, se usan tuberías comerciales, como las de cloruro de polivinilo (PVC), asbesto cemento, hierro fundido y hormigón simple o armado. Si se evalúan los materiales, se encuentra que la tubería plástica de PVC presenta grandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas pérdidas por fricción, es fácil de transportar, instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida útil. Los conductos de asbesto cemento tienen la desventaja de ser frágiles y pesados, y son difíciles de perforar. El hierro fundido tiene alta resistencia a las cargas, gran durabilidad y permite un alto porcentaje de área abierta. Sin embargo su costo es alto y es propenso a las incrustaciones, las que disminuyen su capacidad hidráulica. Las tuberías de hormigón son pesadas y frágiles, lo que complica su manejo, perforación e instalación. No obstante, pueden instalarse en pequeños tramos con las juntas abiertas.


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector 5.1.3 Velocidad Para evitar la acumulación del material fino que pueda entrar al conducto, la tubería del dren debe tener una pendiente adecuada que facilite su auto limpieza. Normalmente, la velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser mayor a 0,60 m/s. De esta manera, el material fino podrá ser arrastrado hasta la cámara colectora donde se depositará para su eliminación. La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varían de 0,001 m/m a 0,005 m/m.


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector 5.1.4 Área abierta No se recomienda pendientes altas para evitar una profundidad excesiva en casos de galerías de gran longitud. En el diseño del área perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideración dos aspectos: a) Pérdida de la resistencia estructural de la tubería; b) Velocidad de ingreso El valor de la máxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partículas finas, varían desde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y para un coeficiente de contracción de entrada por orificio de 0,55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de área abierta para tener bajas velocidades de entrada. El área abierta por unidad de longitud del conducto estará dada por la siguiente expresión:

Qu A = Ve x Cc Donde: A = Área abierta por unidad de longitud del conducto (m²) Qu = Caudal de diseño por unidad de longitud (m³/s) Ve = Velocidad de entrada (m/s), Cc = Coeficiente de contracción


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración - Colector 5.1.5 Forma, tamaño y distribución de las aberturas El tipo de abertura que se practica en las tuberías son las perforaciones y las ranuras, las que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las características del conducto. La relación que debe existir entre la mayor dimensión de la abertura y el tamaño de los granos del filtro está dada por la siguiente expresión:

A su vez, la relación de diámetros entre el forro filtrante y el material granular del acuífero debe ser igual o menor a cinco. La distribución 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 área perimetral, tal como se muestran en la figura 7. El máximo porcentaje de área perimetral abierta depende del tipo de material del conducto, de modo que a mayor resistencia del material, mayor área abierta permisible.

* D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 % en peso del material filtrante.


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Figura 7.- Modelos de drenes


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro Filtrante 5.2 Forro filtrante Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto sin que sea afectada la velocidad de filtración, el forro filtrante debe ser mucho más permeable que el acuífero. El forro filtrante se asemeja a la capa de soporte de los filtros de arena, y se deben seguir las recomendaciones que se sintetizan en la Tabla 1.

Tabla1. Granulometría del forro filtrante.

Capa Diámetro, mm Altura, cm

Mínimo Máximo

1 0.5-2.0 1.5-4.0 5

2 2.0-2.5 4.0-15.0 5

3 5.20-20 10.0-40.0 10

Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro debe estar comprendida entre los 5 y 10 cm para lograr una filtración eficiente. Sin embargo, para evitar que durante la construcción queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que lo protege contra cualquier defecto constructivo, porque a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante, disminuye el riesgo de que los granos más finos del acuífero sean arrastrados hacia el interior del conducto (ver figura 8).


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Figura 8.- Distribución de capas concéntricas en el forro filtrante


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro Filtrante Actualmente, se dispone de geotextiles de material sintético resistente al agua, que pueden ser empleados de manera exitosa en la conformación del forro filtrante . Al efecto, el geotextil se tiende en el fondo de la zanja o trinchera y sobre él 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 cierra conformando el empaque de grava. Encima del empaque se coloca el material de excavación hasta aproximadamente unos 0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno (ver figuras 9 y 10).


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Figura 9.- Proceso constructivo del pozo filtrante


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Figura 10.- Sección longitudinal de galería de filtración


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Forro Filtrante 5.3.- Sello impermeable En las galerías ubicadas en las márgenes de los ríos o lagos y en los acuíferos con escurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galería. Se sella con material impermeable para evitar que el agua estancada filtre hacia la galería y contamine el agua captada. Adicionalmente, la función del sello impermeable es aumentar la longitud del recorrido del agua superficial a través de la masa de suelos, y así mejorar su calidad física y bacteriológica. El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centímetros de espesor. Este sello se puede complementar si se coloca en la parte inferior papel impermeable o geomembrana. Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeable quede un poco más alta que el terreno circundante y con una pendiente que facilite el drenaje del agua superficial fuera del área donde se ubica el dren (ver figura 11)


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Figura 11.- Sección longitudinal de galería de filtración


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración – Pozo Colector 5.4 Pozo colector La función de este pozo es reunir el agua drenada por la galería de filtración y facilitar, si fuera el caso, el bombeo de esta agua. El pozo puede ser circular o rectangular, y sus dimensiones deben permitir que un hombre realice labores el mantenimiento de los conductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión (figura 12). Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser de concreto reforzado y los acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozo debe llevar una abertura para la instalación de una tapa de concreto o de fierro y, dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el acceso de un hombre al fondo del pozo. Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centímetros por debajo de la boca de salida del dren para permitir la acumulación de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsión del agua, si lo hubiera. En el caso de que la galería esté ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de agua y que el área del pozo esté sujeta a inundación 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 contaminación del agua captada por la galería de filtración.


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Figura 12.- Detalles del pozo o cámara colectora.


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5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración Cámaras de inspección En casos de galerías de gran longitud, se colocarán cámaras de inspección en el extremo inicial y a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento. Sin embargo, en pequeñas galerías, se puede colocarse tapones al inicio del ramal. Las cámaras de inspección son similares a las usadas en los sistemas de alcantarillado sanitario, distanciadas entre ellas unos 50 m para diámetros de 200 mm, y hasta de 100 m para diámetros mayores de 200 mm. Estas cámaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredes impermeabilizados. Además, la elevación de la tapa debe estar por encima del nivel máximo que alcanzan las aguas en el caso que la galería se encuentre expuesta a inundaciones 5.6.- Válvulas de control Las válvulas de control deben instalarse en el extremo inferior del dren y en la cámara de inspección o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso del agua por las ranuras de los drenes o la depresión del nivel freático. Por ningún motivo la columna de agua deberá ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado.


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6.- Riesgos operacionales de las galerías de infiltración Obstrucción de los orificios del tubo recolector: Es el principal riesgo en el uso de las galerías de infiltración como medio para la captación del agua subterránea. ya que a pesar del relleno de grava cierta materia suspendida puede ingresar al tubo, provocando con el paso del tiempo la acumulación de este material y la posterior saturación del dren. Para evitar este problema se debe lograr una velocidad del agua en el dren capaz de expulsar cualquier depósito de sedimentos realizando de esta manera su autolimpieza. Velocidad del agua en los drenes : Deber ser superiores a los 0.5 mps pero no mayores de 1.0 mps de los contrario, las pérdidas por fricción serán demasiado elevadas. Esto provocará un abatimiento y una extracción del nivel de agua subterránea desigual a lo largo del dren. Presencia de Hierro y Magnesio en el agua subterránea: En este caso los depósitos de ambos elementos químicos pueden obstruir las aberturas del dren y el relleno de grava, siendo necesario en esta situación colocar los drenes a profundidades de 4 a 5 m por debajo del nivel de agua subterránea existente para evitar que el oxígeno penetre en los drenes y forme los depósitos de precipitación de estos materiales.


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7.- Fuentes de información consultadas. 1.- Abastecimiento de Agua. Material de estudio de la Maestría en Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional de Ingeniería. Centro de Investigaciones y Estudios del Medio Ambiente –CIEMA. Curso Académico 2004-2005. 2.- Galerías Filtrantes para pequeños sistemas. Hoja de divulgación técnica HDT- No 91/ Diciembre 2003. ISSN:1018 -5119. Organización Panamericana de la Salud - OPS. 3.- Manual de Diseño de Galerías Filtrantes. Organización Panamericana de la Salud. Año 2000. Lima , Perú.


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