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Mecánica de suelos II 26-9-2014

PERMEABILIDAD EN CAMPO MEDIANTE POZOS

Mecánica de suelos II

PRUEBAS EN CAMPO DE PERMEABILIDAD

Universitarios:

Vidaurre Velasco Cecilia Mirtha

Vidaurre Velasco Gustavo Anibal

Docente:

Ing. Laura Soto


Trabajo Practico nº11. INTRODUCCIÓN.-

El ensayo de permeabilidad es uno de los ensayos "in situ" llevados a cabo para realizar un reconocimiento geotécnico. Existen diferentes formas de ensayo que pueden agruparse en tres: ensayos de permeabilidad en calicatas, en sondeos y en pozos. En cualquier caso, se obtiene la permeabilidad media de la zona afectada por el ensayo, que varía entre unos decímetros a centenares de metro.Cuando la permeabilidad del terreno es un factor crítico, como ocurre en grandes excavaciones bajo el nivel freático, el método más fiable es la ejecución de ensayos por bombeo en pozo, en régimen transitorio o permanenteLas pruebas de bombeo en sus múltiples variantes de interpretación, son la principal herramienta disponible para el estudio del comportamiento del agua en los acuíferos y pozos, predicción de caudales y abatimientos futuros, así como la obtención de valores representativos de las características de los acuíferos, tales que no tengan el carácter local y la dudosa validez de los ensayos de laboratorio.En general, las pruebas de bombeo representan un costo económico elevado en vista de las necesidades para llevarlas a cabo, por lo tanto, es preciso realizar una planeación correcta de las mismas, con el firme objetivo de evitar errores, no sólo en su ejecución, sino también en la obtención de datos, mismos que limiten o impidan una interpretación adecuada.

2. MARCO TEORICO.-

a) Tipos de acuífero:

i. ACUIFERO CONFINADO:

Un acuífero confinado es aquel que se encuentra limitado en su parte inferior y superior por unidades geológicas "impermeables" (acuifugos o acuicludos). En un acuífero de este tipo, la presión del agua es generalmente más elevada que la presión atmosférica, de ahí que también se les conozca como "artesianos" A diferencia de los acuíferos libres, en los pozos perforados en estos acuíferos, el nivel piezométrico se eleva por encima del techo de los mismosLa superficie imaginaria a la cual se eleva el agua en los pozos localizados en los acuíferos confinados se llama "superficie piezométrica", dicha superficie puede localizarse por encima o por debajo de la superficie del terreno. Cuando se perfora un pozo en un acuífero confinado, en donde la superficie piezométrica se localiza por encima de la superficie del terreno, el agua fluye libremente a una cierta presión superior a la atmosférica, dando lugar a lo que se conoce como pozo artesiano surgente. El nombre de "artesiano" debe su origen a Artois, provincia septentrional de Francia, en donde se sabe que se perforaron los primeros pozos profundos que manifestaron esta particularidad.



Todos los métodos que se tratan a continuación se basan en las siguientes hipótesis: El acuífero es de extensión infinita El acuífero es homogéneo, isótropo y de espesor uniforme en el área de

influencia de la prueba; esto es, la conductividad hidráulica del acuífero tiene el mismo valor en toda la profundidad

Antes del bombeo, la superficie piezométrica es casi horizontal en el área que será influenciada por el bombeo

El caudal que extrae el pozo por bombeo del acuífero, es constante El pozo penetra totalmente el acuífero El diámetro del pozo de bombeo es pequeño, es decir, que el

almacenamiento en el pozo puede ser despreciado El agua removida del almacenamiento es descargada instantáneamente

al decrecer la carga hidráulica (nivel piezométrico) en el acuífero Las pérdidas de carga en el pozo-acuifero son despreciables.

ii. ACUIFERO NO CONFINADO O LIBRE

Están compuestos por un piso (roca) impermeable y el techo se encuentra en la superficie del terreno. También son llamados freáticos o no confinados. Son acuíferos cuyo límite superior que corresponde con la superficie freática, en la cual todos los puntos se encuentran a presión atmosférica. Al ser bombeado un acuífero libre, el agua de su almacenamiento se mueve por efecto de la gravedad hacia el nivel freático conforme éste desciende. A este mecanismo se le conoce como "drenaje retardado" y es otra característica de un acuífero libre.Un acuífero libre presenta ciertas ventajas con respecto a los otros tipos de acuíferos:



Cede volúmenes de agua muchos mayores por cada metro de abatimiento del nivel freático

Presenta mejores condiciones de recarga, por estar totalmente abierto a la superficie en su límite superior

No obstante, su gran desventaja respecto a los demás acuíferos, es su alto nivel de susceptibilidad a la contaminación proveniente de la superficie del terreno, ya sea por infiltración directa de sustancias líquidas peligrosas y/o por la lixiviación de materiales contaminantes localizados en la superficie del terreno, tales como fertilizantes, desechos sólidos ( basura), etcTodos los métodos que se tratan a continuación se basan en las siguientes hipótesis: El acuífero es libre Se considera de extensión infinita El acuífero es homogéneo y de espesor uniforme, principalmente en el

área de prueba La superficie freática se encuentra en forma horizontal antes del

bombeo El acuífero es bombeado a caudal constante El pozo es de penetración total y recibe agua de todo el espesor del

acuífero El agua entra al pozo debido

b) PARAMETRO DE USO GENERAL EN ACUIFEROS



Los parámetros que se tienen que tener en cuenta en un acuífero son: la porosidad, la permeabilidad o conductividad hidráulica, la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento.

i. Porosidad.-La porosidad se define como el volumen de vacíos o poros que existen en un material por unidad de volumen, específicamente se establece como la relación que existe entre el volumen que ocupan dichos espacios vacíos y el volumen total que ocupa el material expresada en porcentaje (Ecuación No. 1.4, Figura 1.6), es decir:

n(%) = (V v / V t) x 100 (1.4)Donde:n = Porosidad (adimensional)V v = Volumen de espacios vacíos en el material (cm3)V t = Volumen total del material (cm3)

Figura 1.6. Porosidad

La porosidad generalmente se expresa en fracciones decimales o en porcentaje y siempre es menor que la unidad o, si ha sido expresada en porcentaje, menor que 100.

ii. Conductividad Hidráulica: Se conoce como conductividad hidráulica (K) a la cantidad de agua, que bajo condiciones físicas específicas, circula a través de una sección de área unitaria normal al sentido de flujo, bajo un gradiente hidráulico unitario (Figura 1.9). La conductividad hidráulica es una propiedad que depende de las características del fluido y de la permeabilidad del medio poroso a través del cual circula y de la fuerza de gravedad (g). De tal forma, que algunas propiedades del fluido como peso específico, viscosidad dinámica y temperatura, influyen en el valor de K, al igual que el tamaño medió de los espacios abiertos (d), estratificación, empacamiento, disposición de los granos, distribución de tamaños, considerados a través del factor de forma (C) y la porosidad.



iii. Transmisividad: La transmisividad es una propiedad que ha tenido relevancia práctica en la evaluación de los acuíferos. Ésta determina directamente el rendimiento del espesor acuífero que atraviesa el aprovechamiento hidráulico. A través de ella se pueden calcular la cantidad de agua que puede proporcionar un acuífero en una sección de interés determinada o estimar el rendimiento probable de una captación. Sin embargo esta propiedad no describe satisfactoriamente la velocidad real de movimiento del agua subterránea, tan necesaria para plantear y resolver problemas de movimiento de contaminantes.

T= Kb (1.7)en donde:T = Transmisividad del acuífero (m2/s)K = Conductividad hidráulica promedio el acuífero (m/s)b = Espesor saturado del acuífero (m)

iv. Coeficiente de almacenamiento: El coeficiente de almacenamiento es un concepto que determina la capacidad que tiene un acuífero, para almacenar o ceder agua, misma que depende de manera directa, tanto de las características físicas del agua, como de las condiciones petrofísicas e hidráulicas del acuífero, así como de las presiones a las que se encuentra sometida el agua (presión intersticial o de poro) y las partículas granulares (presión intergranular o efectiva), que en general se consideran constantes, salvo que sean modificadas de manera artificial.

c) PRUEBAS DE BOMBEO.-

i. OBJEIVOS DE LAS PRUEBAS.-

Una prueba de bombeo tiene dos objetivos principales. El primero es determinar las características hidráulicas de los acuíferos. Este tipo de



pruebas estudian al acuífero mismo y al pozo, más no a la bomba, son llamadas también pruebas de acuífero.

El segundo objetivo es proporcionar los datos necesarios para determinar la capacidad específica o la relación caudal-abatimiento, para seleccionar el equipo de bombeo adecuado.

ii. Metodología de ejecución:

La metodología para realizar una prueba de bombeo consiste en bombear un pozo que esté perforado en el acuífero que se desea estudiar, durante un cierto tiempo, a un determinado caudal y medir la evolución del nivel piezométrico debida al bombeo, tanto en el mismo pozo de bombeo como en piezómetros y pozos cercanos (pozos de observación).A partir del Comportamiento de los abatimientos de los niveles, la distancia entre los pozos de observación y el pozo bombeado y el caudal de bombeo, se puede obtener información sobre las características del acuífero, como son: su conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento, existencia de barreras impermeables cercanas, asi como de recarga y definir y confirmar el tipo de respuesta hidráulica del, acuífero

iii. Elección del sitio e prueba:

Para la selección del sitio se deben considerar los siguientes puntos:• Las condiciones hidrológicas del sitio no deben cambiar en distancias cortas y deben ser representativas de la zona de estudio.• El conjunto motor-bomba debe ser capaz de trabajar continuamente a caudal constante, durante la duración de la prueba.• El pozo de bombeo y los de observación deben ser fácilmente sondeables• El caudal de descarga en el pozo de bombeo debe ser medible directamente• El agua extraída no debe retornar al acuífero• El sitio donde se localiza el pozo debe ser de fácil acceso para el personal y el equipo.• El pozo de bombeo debe ser totalmente penetrante (preferentemente) Los pozos de observación deben estar, en general, entre 10 y 100 m de separación del pozo de bombeo, en función del tipo de acuífero y duración de la prueba• Se deberá conocer el diseño final y materiales geológicos atravesados por los pozos de bombeo y observación• El gradiente hidráulico de la superficie piezométrica o freática, antes de iniciar la prueba, debe tender a cero al menos en el área de influencia de la prueba



• Es conveniente que los pozos de bombeo y observación no se localicen en la vecindad de otros pozos en operación, en caso contrario, se debe conocer a detalle el régimen de operación de estos pozos.

d) ENSAYOS DE CAMPO DE PERMEABILIDAD.-

i. Prueba Lugeon.

Esta prueba consiste principalmente en inyectar agua a presión en tramos de perforación, lo cual tiene por objeto tener una idea aproximada de la permeabilidad, o sea la debida a las fisuras de la roca o del material granular cementado estudiado. Se varía la longitud de los tramos probados, así como la presión a la que se inyecta el agua. La llamada unidad Lugeon corresponde a una absorción de 1 litro de agua por minuto, por metro de sondeo, con una presión de inyección de 10 kg/cm2.

En la práctica, consiste en obtener, para distintos tramos, curvas de gastos de absorción en función de la presión de inyección.

La longitud de los tramos de perforación en los que se realiza la prueba debe adaptarse a la naturaleza del terreno.

Equipo: Un obturador o empaque con su correspondiente tubo de inyección. Una bomba Medidor de gastos de agua. Uno o varios manómetros Agua.

ii. Prueba Lefranc Mandel.

Esta prueba tiene el objeto de medir con cierta precisión el coeficiente de permeabilidad en algún punto de un terreno aluvial, o de una roca muy fisurada cuando existe un manto freático que satura el material. La prueba consiste en inyectar agua en una cavidad del terreno, de forma geométrica definida, situada debajo del nivel freático, con una carga pequeña constante de agua. La medida del gasto y de la carga que lo origina permite calcular el coeficiente de permeabilidad, K, en la vecindad de la cavidad con muy buena aproximación. Si q es el gasto de inyección y ΔH la carga aplicada, se tiene:

Q=C*ΔH*K



Donde C es un coeficiente que tiene dimensión de longitud y que caracteriza geométricamente la prueba.

El equipo necesario para llevar a cabo una prueba Lefranc Mandel, consta de los siguientes elementos

Una bomba. Sistema de medición del gasto Tubería de longitud suficiente para alcanzar la cavidad de inyección. Sonda

iii. Pruebas de Bombeo.

Para estimar la permeabilidad de un manto potente de material permeable, del que es difícil obtener muestras inalteradas, es recomendable recurrir a una prueba de bombeo, la cual se lleva acabo perforando un pozo central de bombeo con ademe ranurado y, en forma concéntrica, una serie de pozos de observación, donde se colocan ademes ranurados para observar directamente la superficie libre del cono de abatimiento creado por el bombeo (manto homogéneo) o piezómetros, con el objeto de conocer las presiones de agua en toda la zona afectada (manto heterogéneo) (figura 6).

La interpretación de la prueba y, en particular, el cálculo del coeficiente de permeabilidad del medio supuesto homogéneo pueden hacerse por medio de las fórmulas de Dupuit-Thiem o Theis-Lubin, que se aplican a escurrimientos en régimen permanente y transitorio, respectivamente. Ambos métodos suponen que el pozo de bombeo abarca la totalidad del manto permeable, sin embargo, la prueba pude realizarse, sin incurrir en grave error, con un pozo que cubra solo parcialmente el manto.

Equipo. El equipo utilizado es el siguiente:

Un ademe ranurado para el pozo de bombeo. Una bomba de pozo profundo. Un tanque amortiguador en la descarga de la bomba, el cual constará

de una pantalla de malla de acero, rellena de grava para disipar la energía del agua, así como un medidor de gastos(vertedor triangular delgado y escala de gancho o Venturi).

Canal para alejar de la zona bajo estudio el agua bombeada. Tuberías ranuradas para los pozos de observación o los piezómetros;

las ranuras son generalmente de 3 mm de ancho y 10 cm de longitud, y se encuentran distribuidas a razón de 20 ranuras por metro.

Sonda de tipo eléctrico para medición de los niveles en los pozos de observación o piezómetros.



Reloj, y herramientas diversas.

iv. Pozos de Absorción.

Esta prueba se realiza en materiales no saturados. Con base en el estudio de Nasberg sobre escurrimiento en el suelo seco, a partir de una fuente situada en la masa, Terlertskata ha obtenido una fórmula semiempírica la cual relaciona el gasto de absorción, q, en un pozo, bajo tirante de agua constante, h, con el coeficiente de permeabilidad del terreno.

v. Pozos de Filtración.

Esta prueba se realiza, al igual que la anterior, en materiales no saturados; y se hace de la siguiente forma, se excavan dos pozos de planta rectangular, dispuestos paralelamente de modo que entre ellos quede un prisma del material, cuyo coeficiente de permeabilidad se desea conocer. La distancia entre las caras correspondientes de los pozos puede elegirse de acuerdo con el suelo, puede tomarse, por ejemplo, igual a 1 m. Se trata de determinar el coeficiente de permeabilidad con la ayuda de la red de flujo y de la medida, en un tiempo, t, de las cantidades de agua que es necesario agregar a los pozos para mantener una diferencia constante de nivel entre ellos, previa saturación de los materiales.

vi. Prueba de Matsuo Akai.

Han propuesto un método para medir la permeabilidad de un suelo seco, de la siguiente forma: En una zanja de longitud infinita y de ancho B, en la cual se mantuviera un tirante de agua, H, se obtendrían las siguientes fórmulas para el escurrimiento plano provocado, con gasto q por unidad de longitud:


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