Diseño De Una Galeria Filtrante Con Tuberia Colectora.docx

TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 OBRAS HIDRAULICAS I DISEÑO DE UNA GALERIA FILTRANTE CON TUBERIA COLECTORA

1. INTRODUCCIÓN.

Las Aguas sub superficiales generalmente se escurren en las capas e material sedimentado por material de arrastre de sólidos en el lecho de los ríos, pero también existe infiltración en las capas del río al terreno adyacentes donde se diseñan las galerías filtrantes. Es corriente captar aguas a través de tuberías colectoras perforados, la tubería debe ser resistente a la corrosión del agua por lo que se utiliza tubería de Hormigón, el diámetro de los orificios varía entre 2.5cm. a 5cm. Dispuestos a tresbolillo con una separación de 15cm. a 25cm. El área total de los orificios debe calcularse fijando una velocidad máxima a través de ellos de 0.05m/s a 0.1m/s, el coeficiente de entrada (Cc) se toma generalmente un valor igual a 0.55, la tubería colectora debe ubicarse en el fondo de la zanja, su diámetro debe ser determinado en función a las características del escurrimiento del agua y del caudal que se quiere captar, en ningún caso debe ser menor a 100mm. Las galerías de filtración son obras sencillas que captan agua filtrada en forma natural, funcionando como pozos horizontales.

Estas estructuras recolectan el agua subálvea o sub-superficial a todo lo largo de su recorrido y resultan ventajosas cuando es posible su construcción, constituyéndose 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 países poco desarrollados están situados a lo largo de ríos o lagos, cuyas orillas están constituidas por capas de arenas y gravas por donde circula el agua subálvea alimentada por aguas superficiales.

Estas capas suelen ser fáciles de excavar por lo que constituyen excelentes emplazamientos para drenes o galerías. Para esto, se excava la zanja en cuyo fondo se coloca el dren o se horada un socavón al cual se le reviste interiormente, el agua se recolecta en una cámara o pozo central desde donde es conducida para su posterior uso.

La longitud del dren o galería depende de la cantidad de agua deseada y de las dimensiones del acuífero. Las estructuras filtrantes pueden ser:

a) Galería o bóveda: consiste en una estructura robusta enterrada en el lecho del cuerpo de agua para captar un volumen importante de agua y cuando las condiciones de pendiente del terreno lo permiten. Se emplea particularmente en quebradas o arroyos de bajo caudal superficial.

El diseño (largo, ancho y alto) como la disposición de la galería (transversal o paralela al curso de agua) dependerá de las condiciones del cuerpo de agua y del material de arrastre.

La estructura debe ser calculada para soportar el empuje del agua y áridos, como también, la carga estática de los áridos y agua por encima de ella (de la estructura).

a)

Tubería de infiltración o de avenamiento: son tuberías perforadas o ranuradas instaladas de forma transversal o paralela a los cursos de agua. Es uno de los métodos más empleados por que resulta más barato que la galería filtrante y puede tener muchas aplicaciones.

Pozos

Los pozos son obras que se realizan para captar aguas subterráneas sub-superficiales y profundas.

Perforados. Pueden ser pozos perforados manual o mecánicamente:  Perforados manualmente.

La perforación manual corresponde a una técnica que emplea equipos simples para perforar pozos de pequeño diámetro empleando los métodos de rotación y percusión, en terrenos

de

baja

concentración

de

material

granular.

Los pozos perforados manualmente, sólo pueden ser diseñados en su concepción general.

Solamente con pruebas en campo podrá identificarse la posibilidad o no de perforar con esta tecnología.

 Perforados con maquinaria.

Los pozos perforados con máquina permiten captar aguas subterráneas profundas, y requieren equipos de perforación especiales.

Las técnicas de perforado podrán ser de percusión, rotación directa o reversa, inyección y otros.

El diseño de los pozos perforados profundos requiere la participación de especialistas en hidrogeología y estudios de prospección de aguas subterráneas con equipos de resonancia electro-magnéticas.

En Bolivia existen maquinas y equipos de perforación de pozos profundos en las prefecturas y en empresas privadas que prestan este servicio.

Los estudios de prospección hidrogeológica pueden ser encargados a consultoras privadas, al Servicio de Geológico Minero y las facultades de geología de las universidades de La Paz, Oruro y Potosí.

Para obtener el gasto deseado es necesario definir la longitud de la galería, el diámetro de la conducción con su longitud, el número y dimensiones de los orificios y la profundidad de desplante, los cuales dependen de los resultados de los estudios de permeabilidad del suelo. Localización de la Galería:

Las galerías filtrantes deben orientarse de acuerdo a la dirección predominante del flujo subterráneo natural dentro del manto permeable.

Se tienen dos tipos de orientaciones extremas, la primera paralela al escurrimiento superficial y la segunda en dirección perpendicular.

En el caso de que la corriente en el río alimente a un estrato de alta permeabilidad, el eje de la galería se construirá paralelo al eje del río.

De igual manera, se construirá la galería paralela al eje del río si el manto permeable es de gran extensión y alimenta a la corriente, esto es, se presenta el flujo del acuífero hacia la corriente superficial, (Fig. a).

(Fig. a) Galerías Filtrantes

Cuando se presenta un escurrimiento rápido en estratos de baja permeabilidad, la galería se instalará perpendicular al eje del escurrimiento. En la (Fig. b), se ilustra esta posición.

(Fig. b) Galería Filtrante, Transversal al Escurrimiento

Otros usos que se pueden obtener de una galería filtrante es el mejoramiento de un manantial cuando su gasto ha disminuido debido al abatimiento de los niveles freáticos o piezométricos, existiendo la posibilidad de captar estratos con una mayor carga hidráulica.

Cuando la descarga de un manantial es por fisuras, se puede interceptar con la galería un mayor número de ellas, para concentrarlas con una sola estructura.

Cuando el espesor saturado de un acuífero es pequeño, el gasto y rendimiento de pozos puede ser bajo, resultando más conveniente el uso de una galería filtrante, pues se aprovecha la capacidad transmisora en sentido horizontal. Diseño de los componentes de la galería de filtración Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento de agua 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 efectuar cálculos 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 en el diseño de pequeños sistemas de abastecimiento de agua. El procedimiento de 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 a ser realizadas. De esta manera, una vez determinada la longitud mínima de la galería se procede al diseño de los elementos que la componen.

I.

Conducto colector

En el diseño del conducto colector de la galería se deben considerar los aspectos siguientes: 

Sección con capacidad suficiente para que fluya el caudal de diseño.



Mínimas pérdidas por fricción.



Área de las aberturas del dren que faciliten el flujo de agua del acuífero hacia el conducto.

 Diámetro

El diámetro mínimo a utilizar es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseño con un tirante no mayor al 50%, pero en ningún caso la tubería deberá tener menos de 200mm. Este diámetro facilita la limpieza y mantenimiento de los drenes. En casos de galerías muy largas, es posible usar distintos diámetros, teniendo en cuenta que en los tramos iniciales no es necesaria una alta capacidad de conducción, (Fig. c).

(Fig. c), Galería de Infiltración con Distintos Diámetro

 Tipo de Material

Por lo general, se utilizan las tuberías comerciales disponibles, entre las que se pueden mencionar las de cloruro de polivinilo (PVC), asbesto cemento, hierro fundido y hormigón simple o armado.

La selección del tipo de material está condicionado por la resistencia estructural del ducto y su capacidad para reaccionar con la calidad de agua. Adicionalmente, los conductos empleados debe ser fáciles de perforar.

Si se evalúan los diferentes tipos de materiales, se encuentra que la tubería plástica de PVC presenta grandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas pérdidas por fricción, 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 además, de difícil perforación. Su manejo e instalación 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 área abierta. Sin embargo, tiene el inconveniente que es muy costoso y propenso a la formación de incrustaciones las que disminuyen su capacidad hidráulica.

Las tuberías de hormigón son muy pesadas y frágiles, lo que complica su manejo, perforación e instalación.

No obstante, pueden ser instaladas en pequeños tramos con las juntas abiertas.  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 autolimpieza. Normalmente, la

velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser menor a 0.90 m/s pero con un valor mínimo de 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. No se recomienda pendientes muy altas para evitar profundizaciones excesivas en caso de galerías de gran longitud.  Área abierta

En el diseño del área perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideración dos aspectos fundamentalmente:

- Pérdida de la resistencia estructural de la tubería - Velocidad de ingreso.

Existen diversas opiniones acerca del valor de la máxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partículas finas. Estos valores varían desde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y calculado 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:

A=

𝑄𝑢 𝑉𝑒 ∗𝐶𝑐

Donde: A = Área abierta por unidad de longitud del conducto. (m2) Qu = Caudal de diseño de la galería por unidad de longitud. (m3/s)

Ve = Velocidad de entrada. (m/s) Cc = Coeficiente de contracción.

 Forma, Tamaño y Distribución de las Aberturas,

El tipo de abertura que se practica en las tuberías son las perforaciones y las ranuras, las mismas que pueden ser realizadas con taladros o discos. Las dimensiones de las perforaciones dependen de las características del conducto.

Según la publicación "The Desing of Small Dams", del "Bureau of Reclamation", 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:

D₈₅ de la grava del forro filtrante ≥ 2 Ancho o diámetro de las aberturas D85 es el tamaño de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 por ciento en peso del material filtrante.

D15 de la grava del forro filtrante ≥ 5 D85 del material granular del acuífero 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 Fig. d, lo que evita la creación de zonas débiles por donde podría fallar la tubería.

(Fig. d), Modelos de drenes

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. En pruebas realizadas con tuberías de PVC de 200 mm de diámetro, la resistencia a la carga externa aplicada con platos paralelos, disminuyó en un 20 % con un área abierta del 3,2 %. Normalmente, un área abierta de alrededor del 3,0 % permite velocidades de entrada que van a estar por debajo de los valores máximos recomendados. Como los conductos solamente soportan cargas de relleno, es poco probable que colapsen debido a la pérdida de resistencia causada por las perforaciones. Por ejemplo, una tubería de PVC de 200 mm de diámetro, 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 máxima admisible en pruebas de laboratorio con un área perimetral abierta de 3,2 % y que es de 3,050 kg/m II.

Forro filtrante

Este elemento es de suma importancia en el buen funcionamiento de las galerías de filtración. Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto sin que sea afectada la velocidad de filtración, debiendo el forro filtrante ser mucho más permeable que el acuífero. 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 1.

Cuadro 1, Granulometría del forro filtrante.

Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro no excede los 5 ó 10cms 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 más 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 más finos del acuífero sean arrastrados hacia el interior del conducto (ver Fig. e).

(Fig. e), Distribución de capas concéntricas en el forro filtrante.

Actualmente, se dispone de geotextiles confeccionados con materiales sintéticos y resistentes 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 procede a cerrarlo 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 Fig. f y g).

(Fig. f), Proceso constructivo del pozo filtrante.

(Fig. g), Sección longitudinal de galería de filtración III.

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.

El sello se ejecuta con material impermeable para evitar que el agua estancada se filtre hacia la galería y pueda contaminar 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 colocándole 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 más alto que el terreno circundante, y con una pendiente que facilite el drenaje del agua superficial fuera del área donde se ubica el dren (ver Fig. h).

(Fig. h), Sello impermeable de galería

IV.

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 a un hombre realizar labores tanto de limpieza como de mantenimiento de los conductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión (ver Fig. i). Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centímetros por debajo de la boca de salida del dren para permitir, de una parte, la acumulación de la arena que pudiera ser arrastrada por las aguas captadas y, de otra parte, facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsión 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 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.

(Fig. i), Detalles del pozo o cámara colectora En el caso que la galería se encuentre ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de agua y que el área donde se ubica el 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. V.

Cámaras de inspección En casos de galerías de gran longitud, es conveniente colocar cámaras de inspección en el extremo inicial y a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento. Sin embargo, en pequeñas galerías, en el inicio del ramal puede colocarse tapones. 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 (ver Fig. j).

(Fig. j), Detalles de la cámara de inspección.

VI.

Válvulas de control

Las válvulas de control deben de instalarse en el extremo inferior del dren y se ubicará 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 de agua y que por ningún motivo la columna de agua deberá ser menor a 0,30 m por encima del conducto perforado. Consideraciones para la construcción y mantenimiento de la galería de filtración y para la conservación de la calidad del agua. 2. ENUNCIDO. Se desea captar agua para abastecer a poblaciones de rio abajo, mediante una toma de galería filtrante con tubería recolectora construida en la zona del Rio Palcoma que recibe agua de deshielo del nevado Mururata. Los datos con que se cuentan son los siguientes: Q = 115 l/s K = 0.28 (Coef. de Permeabilidad) a = 3.3 m r = 0.2032m = 8plg (Radio del conducto) d = 2r = 0.4064m = 16plg Ve = 0.05m/s (velocidad de entrada a los orificios = 0.05m/s a 0.1m/s) Cc = 0.55 S = 0.01 n = 0.013 3. MEMORIA DE CALCULOS. a) Longitud da la tubería recolectora.

La longitud de la tubería recolectora está dada por la siguiente fórmula:

L

Q Qu

Donde, Q es el caudal determinado para la población y Qu es el caudal unitario, el cual se calcula con la siguiente fórmula:

Qu 

2  K  a  2a  ln    r 

Reemplazando los datos correspondientes en la fórmula obtenemos:

Qu 

2  0.28  3.3  2  3 .3  ln    0.2032 

Qu  1.668 l

seg  m

Por lo tanto la longitud será:

L

115 l 1.668 l

seg

L  68.945m

seg  m L  68.945m  70m L  70m

b) Cálculo del número de orificios para la tubería de infiltración El número de orificios de entrada para la tubería de infiltración está dado por la siguiente fórmula:

n

A a0

Donde:

n = Número de orificios por metro. A = Área de flujo en metros cuadrados.

a 0 = Área de cada orificio en metros cuadrados. Para determinar A, se utiliza la siguiente fórmula:

A

Qu Vc  Cc

Donde: 3 Qu = Caudal unitario en m

seg  m

Vc = Velocidad de entrada a los orificios  0.05 m



 seg 

Cc = Coeficiente de contracción (0.55) Corregimos Qu, con el valor de L  70m con la siguiente formula despejada:

Q L

Qu 

Qu 

115 l

seg 1m 3 * 70m 1000l

Qu  0.00164

m3 seg * m

Reemplazando los datos correspondientes en la fórmula obtenemos:

A

0.00164 m 0.05 m

3

seg

seg  m  0.55

A  0.0597m 2

Para determinar a0 , se utiliza la siguiente fórmula:

a0 

 d2 4

Donde, d es el diámetro del orifico en m (1pulg) Reemplazando los datos correspondientes en la fórmula obtenemos:

a0 

  0.0254m 2

a 0  5.067  10 4 m 2

4

Por lo tanto el número de orificios por metro será:

n

0.0597m 2 5.067  10 4 m 2

n  117.151

n  117.151  118

n  118 (Orificios por metro) c) Velocidad en la tubería recolectora

Para determinar la velocidad en la tubería recolectora se utiliza la siguiente fórmula:

V

2 1 1  Rh 3  S 2 n

Donde:



S = Pendiente 0.01 m

m



n = Coeficiente de rugosidad (0.013) Rh = Radio hidráulico Reemplazando los datos correspondientes en la fórmula obtenemos:

   0.2032 2  1  V    0.013    2  0.2032 

2

3

 0.01

1

2

V  1.675 m

seg

4. CROQUIS EN PLATA DE LA UBICACIÓN DE LA GALERÍA FILTRANTE.

5. CORTE TRASVERSAL DE LA ZANJA Y LA INSTALACON DE LA TUBERIA PERFORADA.

6. ESQUEMA DE LA TUBERIA PERFORADA.