galeria d' infiltración

5/10/2018 Galeria D' Infiltración - slidepdf.com

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Galerías de Infiltración

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Introducción

Una galería de infiltración es una forma de captar el agua subterránea que se encuentramuy próxima a la superficie - subsuperficial - y cuyos afloramientos se presentandispersos en áreas considerables.

El uso de estas obras de captación de agua, se limita a casos en que el agua subterránease 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 pocaprofundidad con un pequeño espesor saturado y además en zonas costeras en donde elagua dulce se encuentra por encima del agua salada.

1.- Principio de funcionamiento

Una galería de infiltración consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeando de unacapa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuífero superficial, o en el casode 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 untanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas por gravedad o por bombeohacia el sistema de distribución (Fig.1). El tubo de recolección usualmente es de concretoo de fibrocemento. Su diámetro es función del gasto, siendo el más recomendable delorden de 200 ó 250 mm.

Figura 1.- Detalle de una Galería de infiltración




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2.- 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 quese 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, aunquedesde el lado opuesto de la misma también penetrará el agua, ya que el río y lainstalación de la galería será análoga (Fig. 2 y 3).

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

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




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En caso de cursos rápidos y extractos de baja permeabilidad, será necesario investigar ladirección del flujo subterráneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galería deinfiltración. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del río dan los resultadosdeseados (Fig. 4).Cuando no existen extractos permeables con la excepción de unosbancos de arena o grava depositados por el río en un lecho limitado la galería se instalapor debajo del río, normal a su eje. La misma solución se emplea cuando el acuífero es de

muy baja permeabilidad. (Fig.5).

Figura 4.- Galería de infiltración en extractos poco permeables

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 unacomposición litológica muy variable, conformada por capas de arena, grava, guijarros yarcilla, 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 ubicadosnormalmente en el fondo de los valles que frecuentemente corresponden a zonas planascon niveles piezométricos muy próximos a la superficie.

c) Suelos con alta porosidad efectiva, permiten disponer de mayor cantidad de aguasubterránea.

d) Permeabilidad más elevada con respecto a otras formaciones, lo que facilita eldesplazamiento del agua.

e) Disponibilidad de agua en períodos de escasas lluvias, cuando el caudal de los ríos esmínimo o nulo, al permitir que las aguas subterráneas circulen por el material aluvial queconforma el valle del río, mientras que en período lluvioso, el caudal superficial del ríorecarga 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 diseñaruna galería de filtración en base a su experiencia y, por lo general, sin un detalladoestudio hidrogeológico, resulta una buena práctica calcular por medio de diferentesmétodos, variando los parámetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luego

seleccionar los resultados más probables. Aunque el procedimiento no parece muyconfiable, en muchos casos proporciona buenos resultados para el diseño. Elprocedimiento de emplear diferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permiteal proyectista identificar los parámetros o factores de mayor influencia. Al efecto, en lasformulaciones es necesario tener en cuenta las características del acuífero y lascaracterísticas del dren.

Las características del acuífero se identifican por los siguientes parámetros con susrespectivos 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]

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 deagua 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 quepuede ser:

Caudal unitario por longitud de dren: q [m3/s-m]Caudal unitario por área superficial: q’ [m3/s-m2]

Por su ubicación, las galerías de infiltración son captaciones donde puede admitirse queel método de equilibrio para fuentes subterráneas es aplicable. A fin de determinar lascaracterísticas de diseño de las galerías es necesario hacer excavaciones o perforacionesde prueba en cada caso específico, las cuales permitirán conocer:




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• 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 unaexcavación de prueba hasta una profundidad conveniente por debajo del nivel estático delagua. Se extrae luego el agua con bomba, a una tasa fija y se observa el descenso denivel. La estabilización de dicho nivel para una tasa fija de bombeo prolongado, significaráque el recargamiento natural del acuífero desde el río (en el caso de captaciones indirectade fuente superficial), iguala el gasto extraído. A base de este gasto y estimando el áreatotal de penetración del agua en la excavación de prueba, puede formarse una ideaacerca de la longitud necesaria de galería para el gasto deseado.

Gastos Mayores

Cuando se trata de gastos mayores, además de la excavación de prueba, será necesarioperforar o excavar uno o varios pozos de observación, a fin de determinar el descenso delnivel 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 elgasto de diseño es:

• Bombear a una tasa constante hasta que el nivel de agua se establece en la excavaciónde prueba.

• Medir el nivel, tanto en la excavación de prueba como en el pozo de observación ycalcular los valores de h

1y h

2. Igualmente medir las distancias r

1y 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))]

• 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 lapermeabilidad 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 yla 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 ladoopuesto como margen de seguridad. El gradiente hidráulico disponible es desde el nivel




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del agua del río hasta la grava de envoltura y se determina dividiendo la profundidad de lagrava de envoltura con respecto al nivel estático del agua subterránea entre la distanciadesde la orilla del río hasta la galería.

• 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 delongitud.

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

A = Qdisseño

/ (Ventrada

* Cc)

Ventrada

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

es un coeficiente porcontracción 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.

5.- Diseño de los elementos de un galería de infiltración

Considerando que el proyectista de pequeñas obras de abastecimiento de agua tiene quediseñar la galería de filtración de acuerdo con su experiencia y, por lo general, sin undetallado estudio hidrogeológico, resulta práctico efectuar cálculos por medio dediferentes 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. Empleardiferentes modelos en el diseño de la galería filtrante, permite al proyectista identificar losparámetros o factores de mayor influencia y por lo tanto, ayuda a definir las pruebas decampo que se deben realizar.

De esta manera, una vez determinada la longitud mínima de la galería se procede aldiseño de los elementos que la componen.

5.1 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.




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5.1.1. Diámetro

El diámetro mínimo es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseño con untirante no mayor al 50%,y no será menor de 200 mm. para facilitar la limpieza ymantenimiento de los drenes.

En las galerías largas, es posible usar distintos diámetros y hay que tener en cuenta quelos tramos iniciales no necesitan una alta capacidad de conducción, (ver figura 6).

Figura 6.- Galería de infiltración con distintos diámetros

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 presentagrandes ventajas: es barata, liviana, induce pocas pérdidas por fricción, es fácil detransportar, 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 sondifíciles de perforar.

El hierro fundido tiene alta resistencia a las cargas, gran durabilidad y permite un altoporcentaje de área abierta. Sin embargo su costo es alto y es propenso a lasincrustaciones, las que disminuyen su capacidad hidráulica.

Las tuberías de hormigón son pesadas y frágiles, lo que complica su manejo, perforacióne instalación. No obstante, pueden instalarse en pequeños tramos con las juntas abiertas.




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5.1.3 Velocidad

Para evitar la acumulación del material fino que pueda entrar al conducto, la tubería deldren 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 colectoradonde se depositará para su eliminación.

La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varían de 0,001 m/m a 0,005m/m.

5.1.4 Área abierta

No se recomienda pendientes altas para evitar una profundidad excesiva en casos degalerías 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 partículasfinas, varían desde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y paraun coeficiente de contracción de entrada por orificio de 0,55. En todo caso, esrecomendable disponer de la mayor cantidad de área abierta para tener bajas velocidadesde entrada.

El área abierta por unidad de longitud del conducto estará dada por la siguiente expresión:

Qu A = Ve x CcDonde: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

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, lasque 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 relaciónque debe existir entre la mayor dimensión de la abertura y el tamaño de los granos delfiltro está dada por la siguiente expresión:




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A su vez, la relación de diámetros entre el forro filtrante y el material granular del acuíferodebe ser igual o menor a cinco.

La distribución de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente laresistencia a las cargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto lasperforaciones como las ranuras se distribuyan uniformemente en el área perimetral, talcomo se muestran en la figura 7.

El máximo porcentaje de área perimetral abierta depende del tipo de material delconducto, de modo que a mayor resistencia del material, mayor área abierta permisible.En pruebas realizadas en laboratorio con tuberías de PVC de 200 mm de diámetro, laresistencia a la carga externa aplicada con platos paralelos, disminuyó 20% con un áreaabierta del 3,2%. Normalmente, un área abierta de alrededor del 3,0% permitevelocidades de entrada por debajo de los valores máximos recomendados.

Como los conductos solamente soportan cargas de relleno, es poco probable quecolapsen debido a la pérdida de resistencia causada por las perforaciones.

5.2 Forro filtrante

Su función principal es impedir que el material fino del acuífero llegue al interior delconductosin que sea afectada la velocidad de filtración, el forro filtrante debe ser ser mucho máspermeable 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.-

Capa Diámetro, mm Altura, cmMínimo Máximo

1 0.5-2.0 1.5-4.0 52 2.0-2.5 4.0-15.0 53 5.20-20 10.0-40.0 10

Tabla1. Granulometría del forro filtrante.

________________________________________________________________

* 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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Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtrodebe estar comprendida entre los 5 y 10 cm para lograr una filtración eficiente. Sinembargo, para evitar que durante la construcción queden tramos de conducto sinrecubrimiento, puede ser necesario usar mayores espesores, lo cual no afecta elfuncionamiento 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 delconducto (ver figura 8).

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

Actualmente, se dispone de geotextiles de material sintético resistente al agua, quepueden 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 lasdiferentes 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 elempaque de grava.




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Encima del empaque se coloca el material de excavación hasta aproximadamente unos0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno (ver figuras 9 y 10).

Figura 9.- Proceso constructivo del pozo filtrante




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Figura 10.- Sección longitudinal de galería de filtración

5.3.- Sello impermeable

En las galerías ubicadas en las márgenes de los ríos o lagos y en los acuíferos conescurrimiento propio, es recomendable sellar la parte superior del relleno de la galería. Sesella con material impermeable para evitar que el agua estancada filtre hacia la galería ycontamine el agua captada. Adicionalmente, la función del sello impermeable es aumentarla longitud del recorrido del agua superficial a través de la masa de suelos, y así mejorarsu calidad física y bacteriológica.

El sello impermeable puede estar formado por una capa de arcilla de unos 30 centímetrosde espesor. Este sello se puede complementar si se coloca en la parte inferior papelimpermeable o geomembrana.

Para evitar que el agua superficial se estanque, se recomienda que la capa impermeablequede un poco más alta que el terreno circundante y con una pendiente que facilite eldrenaje 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

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 susdimensiones deben permitir que un hombre realice labores el mantenimiento de losconductos y válvulas de regulación de los drenes y de los equipos de impulsión (ver figura12).

Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser de concreto reforzado y losacabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozodebe llevar una abertura para la instalación de una tapa de concreto o de fierro y,




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dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el accesode un hombre al fondo del pozo.

Figura 12.- Detalles del pozo o cámara colectora.

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 serarrastrada por las aguas captadas y facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo deimpulsión del agua, si lo hubiera.

En el caso de que la galería esté ubicada en las márgenes de un curso o cuerpo de aguay que el área del pozo esté sujeta a inundación durante grandes avenidas, se debe elevarla tapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, paraevitar la entrada de agua superficial y la contaminación del agua captada por la galería defiltración.




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5.5.- Cámaras de inspección

En casos de galerías de gran longitud, se colocarán cámaras de inspección en el extremoinicial 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 alcantarilladosanitario, distanciadas entre ellas unos 50 m para diámetros de 200 mm, y hasta de 100m para diámetros mayores de 200 mm.

Estas cámaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredesimpermeabilizados.

Además, la elevación de la tapa debe estar por encima del nivel máximo que alcanzan lasaguas 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 deinspección o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso delagua por las ranuras de los drenes o la depresión del nivel freático. Por ningún motivo lacolumna de agua deberá ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado.

6.- Riesgos operacionales de las galerías de infiltración

El principal riesgo en el uso de las galerías de infiltración como medio para la captacióndel agua subterránea es la posibilidad de la obstrucción de los orificios del tubo recolector,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 posteriorsaturación 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 suautolimpieza.

Las velocidades en los drenes deber ser superiores a los 0.5 mps pero no mayores de 1.0mps de los contrario, las pérdidas por fricción serán demasiado elevadas. Esto provocaráun abatimiento y una extracción del nivel de agua subterránea desiguales a lo largo deldren.

Otro riesgo que existe al utilizar las galerías es la posibilidad de que el hierro ymanganeso estén presentes en el agua subterránea en este caso los depósitos de hierroy manganeso pueden obstruir las aberturas del dren y el relleno de grava. En estos casoses necesario 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 losdepósitos 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 Ambientalde la Universidad Nacional de Ingeniería. Centro de Investigaciones y Estudios del MedioAmbiente –CIEMA. Curso Académico 2004-2005.

2.- Galerías Filtrantes para pequeños sistemas. Hoja de divulgación técnica HDT- No91/ 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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