Manejo de Agua Subterranea Trabajo Final

MANEJO DEL NIVEL FREATICO EN CONSTRUCCIONES CIVILES

INTRODUCCION

En las últimas décadas debido a la optimización de los procesos y costos

constructivos de cualquiera edificación, se ha hecho necesario la implementación

de un plan para el manejo de aguas subterráneas propias de excavaciones y

perforaciones realizadas en las inmediaciones a la estructura, en este caso el

estrato “primario” del suelo; la elaboración de este plan permitirá tener una base

presupuestal para incluir en los costos finales de la construcción y así evitar

inconvenientes financieros por no considerar este ítem en la elaboración del

presupuesto, además de brindar seguridad y comodidad a los obreros que deben

efectuar trabajos en las excavaciones, tanto por procesos de licuefacción del suelo

como por los inconvenientes propios de trabajar en una zona bastante húmeda e

inundada, este trabajo presentara una guía de lo que se debe tener en cuenta

para elaborar el plan en base a unos supuesto considerados.

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1. OBJETIVOS

1.1.OBJETIVOS GENERAL

Elaborar un plan base para el manejo de las aguas subterráneas presentes

en el lugar de emplazamiento de la edificación a estudiar.

1.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar las medidas necesarias de los elementos drenantes, para

cumplir con las necesidades del proyecto

Conocer los métodos más usados para el abatimiento del nivel freático y

escoger el necesario para el caso en estudio

Elaborar la tabla de costos en función del plan de manejo que se haya

elaborado.

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2. MARCO TEORICO

2.1.NIVEL FREATICO [1]

Se encuentra definido como el punto límite superior del nivel de

saturación del suelo, esto es el límite más cercano a la superficie del suelo,

la importancia de este va desde la correcta implementación de las

excavaciones hasta el funcionamiento y resistencia de los anclajes o pilotes

propios de las obras constructivas de mediana importancia.

2.2.EXCAVACION [2]

Proceso por el cual se efectúa, la perforación o agujeramiento de un

hoyo en un terreno, este puede hacerse de manera manual o mecánica,

dependiendo de las dimensiones de esta y de los procesos a emplear.

2.3.METODOS DE REBAJE DEL NIVEL FREATICO

2.3.1. WELLPOINT[3]: este sistema en un sistema de bombeo que consiste

en la generación de vacios, se conoce como “wellpoint”, este sistema

permite el control de descenso de aguas subterráneas, debido a su

diseño es recomendable que se utilice en arenas de grano medio (baja

permeabilidad) y de comportamiento no plástico.

2.3.2. WELLPOINT POR INYECCION [4]: este método es una variación del

anteriormente mencionado pues se ve condicionado por la cota de

aspiración impuesta debido al máximo vacio posible (vacio del sistema

de bombeo), para solucionar esto se colocan varios “wellpoints” a

diferentes niveles de succión.

2.3.3. METODOS DE POZOS PROFUNDOS [5]: se realiza el rebajamiento

del nivel freático en medio de alta porosidad y acuíferos donde tenga

que realizarse rebajes mayores a 5 metros.

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2.3.4. METODOS DE POZOS POCO PROFUNDOS [6]: este método es

empleado en pozos de baja conductividad hidráulica y de poca

permeabilidad, lo cual permite la implementación de sistemas de

bombeo de escasa potencia.

3. ESTUDIOS NECESARIOS

Para la correcta elaboración de un plan de manejo se deben tener en

cuenta estudios de diferentes áreas de la ingeniería, entre esta destacan

estudios geológicos y geotécnicos, que muestran las características y

condiciones litológicas del suelo, así como el comportamiento del suelo

donde se va a emplazar la estructura; estudios topográficos, que son

necesarios para el reconocimiento preciso de la planimetría y altimetría del

terreno; conocimiento de líneas de acueducto y de suministro de gas, para

no correr riesgos a la hora de excavar; estudio de condiciones

meteorológica e hidrológicas, esto es la relación del entorno y el clima con

el lugar de trabajo (lluvias, nieve entre otras) y por último el análisis de la

reducción del nivel freático (la reducción necesaria para la culminación de la

obra) y la aplicación del método de abatimiento en función de las

condiciones y los costos del proyecto.

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4. DESCRIPCION DEL PROYECTO

El proyecto consiste en la elaboración de un edificio de tres pisos para

uso residencial, ubicado en el barrio de la concepción, en la ciudad de

Cartagena de Indias (figura 1), en las inmediaciones de este lugar se está

construyendo una de las arterias principales del SITM Transcaribe y

también es un lugar rodeado de diferentes cauces de aguas, lo cual general

inundaciones en ellas (Sánchez, Juan 2012), por lo que se recomienda

elevar un poco la primera planta para no quedar por debajo del nivel de la

carretera y para evitar estragos de futuras inundaciones, en tanto el nivel

freático por ser una zona de múltiples cuerpos de agua se considerara a 0,5

del nivel de la superficie.

Imagen 1. Emplazamiento del proyecto

Fuente: Google Maps (2013)

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El edificio se construirá sobre un lote de 10 metros de ancho por 10 de

largos con 3 metros entre piso y pisos (un piso es de zona común) y el

“desplante” entre el primer piso y el suelo es de 1,5 m; nunca ha sido

intervenido por lo cual no hay redes de servicio público que se puedan

intervenir, además es un terreno casi plano; las condiciones climáticas de la

zonas son complicadas en épocas invernales por eso se recomienda

construir en verano, donde el clima es bastante cálido y no presentara

problemas de escorrentía superficial.

El proyecto se construirá sobre un terreno de baja permeabilidad y de

condiciones geotécnicas aceptables (asentamientos no diferenciales), esta

se encuentra sobre un acuífero confinado y en la parte superior un estrato

arcilloso; entre tanto se usara el método de “well point” debido a la baja

permeabilidad en la zona y su alta eficiencia, además de las condiciones

del terreno, este debe ser capaz de abatir el nivel freático en 1 m.

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5. REQUERIMIENTOS PARA EL DESARROLLO DE LAS OBRAS

Para poder desarrollar el proyecto a cabalidad se deben tener en cuenta los

siguientes elementos que son necesarios durante el desarrollo de las obras, con

el fin último del abatimiento del nivel freático al nivel mencionado anteriormente:

5.1.PERSONAL

5.1.1. CONDUCTORES.

Son las personas encargadas del manejo de los camiones o volquetas

utilizadas para la remoción de los escombros y/o volúmenes de tierra a

evacuar para trabajar cómodamente en la obra.

Imagen 2. Conductores de volquetas.

Fuente: google imágenes (2013)

5.1.2. MAQUINISTAS.

Personas encargadas de la manipulación y control de las maquinas

utilizadas para la excavaciones y otras actividades que requieran

maquinaria pesada y que sean necesarias para la ejecución del

proyecto.

Imagen 3. Operarios de maquina pesada


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5.1.3. MAQUINARIA.

Son todos aquellos equipos utilizados para remover las grandes masas

de tierra. Pueden ser retroexcavadoras o excavadoras de menor

tamaño, perforadoras, etc.

Imagen 4. Maquinaria pesada


5.1.4. Equipo de Wellpoint.

Cada uno de los elementos que hacen parte del sistema, como

tuberías, cables, entre otros.

Imagen 5. Sistema Wellpoint.


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5.1.5. BOMBAS HIDRAULICAS

Será necesaria la utilización de bombas hidráulicas, las cuales tendrán

la función de extraer e impulsar el agua que se pretende retirar de la

zona y que conducir hacia sitios de evacuación como alcantarillados.

Imagen 6.bomba hidráulica.

Fuente: google imágenes (2013).

5.1.6. HERRAMIENTAS MANUALES

Serán necesarias herramientas como palas, picos, carretillas, tablas,

etc. Con el fin de manejar las pequeñas cantidades de terreno que se

desea remover en zonas de difícil acceso para la maquinaria pesada y

en donde se requiere el trabajo manual.

Imagen 7. Herramientas manuales.


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5.1.7. SISTEMA DE TABLA ESTACAS

El sistema de tabla estaca es un sistema de contención que se utilizara

en el perímetro del área del proyecto con el fin de evitar el colapso de

los taludes que se crearan por efectos de las excavaciones, los cuales

tendrán además, la función de evitar el flujo de materiales no deseados

hacia la zona de trabajos.

Imagen 8.sistema de tabla estacas.


6. ANALISIS Y SOLUCION DEL PROBLEMA

Una vez estimado el nivel al cual queremos abatir nuestro nivel freático,

lo pondremos en función de las ecuaciones de Thiem, para así determinar

el caudal necesario a extraer por la bomba para lograr dicho abatimiento:

s= Q2 πT

ln ( Rr ) (1)

Donde:

S: es el descenso del agua a una distancia r del centro del pozo.

Q: es el caudal de bombeo en m3/día.

T: es la transmisividad del acuífero en m2/día.

R: es el radio de influencia del pozo del que se extrae agua con un caudal

Q.

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r: es la distancia a la cual se evalúa el nivel freático.

Despejando el caudal de la ecuación (1):

Q= 2π sT

ln(Rr ) (2)

Pero como no tenemos el radio de influencia, podemos trabajar con

parámetros estandarizadas (tabla 1)

Valores típicos para acuíferos confinados según dricoll (Batu, 1998)

Parámetro Valor

Coeficiente de almacenamiento S 0,001

Transmisividad T 373 m2 / día

Tabla 1. Valores típicos de parámetros apra acuíferos confinados.

Fuente: Donado, Leonardo – Hidráulica de Pozos

Para poder determinar el caudal necesario, es necesario determinar el

radio de influencia (R) y el radio equivalente (r).

6.1.DETERMINACIÓN DEL RADIO EQUIVALENTE.

Para determinar el radio al cual se debe bajar el nivel freático para que el

lote esté seco, se realiza el análisis de las características del lote:

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Figura 1: características geométricas del campo de bombeo. Determinación de la

distancia de abatimiento.

Fuente: autores.

Si se observa la figura, se puede ver que el punto más lejano del lote

hasta donde se necesita bajar el nivel freático 1.2 m, corresponde a la

hipotenusa formada por un cuadrado de lado 5 m que se forma a partir de

las dimensiones del terreno. Por tanto se debe buscar que el nivel freático

baje 1.2 m a una distancia de 5√2m para mantener el área de trabajo libre

de agua.

6.2.RADIO DE INFLUENCIA.

Según los estudios realizados para el radio equivalente, se determinó que

el radio de influencia es equivalente a 100 metros.

Como el descenso debe ser de 1metro, aplicamos un factor de seguridad

de 1,2 con el fin de cubrir las posibles fluctuaciones de que se presenten

en el descenso de los niveles de agua; por tal razón el descenso del nivel

freático será de 1,2 metros.

6.3.CALCULO DEL CAUDAL DE BOMBEO

El caudal necesario para abatir el nivel freático 1.2 m a una distancia de

5√2m se calcula a partir de la ecuación de Thiem como sigue:

Q=2π (1,2 )(373)

ln( 1005√2 )Q≅ 1062 m

3

dia≅ 4 4 .3 m

3

hora

Se necesita entonces bombear el agua del pozo con un caudal de

44.3m3

hora, para cumplir con el abatimiento deseado del nivel freático.

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6.4.VOLUMEN DE EXCAVACIONES

Como ya se mencionó, el proyecto posee un área de 100m2 y se excavara

una profundidad de 1.50m por tanto el volumen a excavar de tierra se

determinara con la siguiente ecuación:

V T exc=Varea+Vpozo (3)

Donde:

V T exc: Es el volumen de excavación total.

Varea: es el volumen correspondiente al área del proyecto por la

´profundidad de descapote.

Vpozo: es el volumen del pozo a partir de 1.5 hasta la profundidad del

mismo.

Se sabe que la profundidad de descapote es de 1.5 m y la profundidad del

pozo es de 7m.

Como el pozo tiene 7 m y solo se descapotara 1.5 m se tendría que

perforar un longitud de 5.5 m que corresponde al volumen de excavación

del pozo. Por tanto la ecuación (3) se reexpresa como sigue:

V T exc=100m2∗1.5m+π (0.3m)2∗5.5m≅ 152m3

6.5.CARACTERISTICAS DEL POZO DE BOMBEO.

Para bombear el caudal calculado anteriormente, se hace necesaria la

construcción de un pozo el cual tendrá las siguientes características:

6.5.1. RADIO.

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El radio del pozo se tomara de 30 centímetros teniendo en cuenta las

facilidades de manejo.

6.5.2. PROFUNDIDAD.

Como se necesita excavar una profundidad de 1.5m es necesario que

la profundidad del pozo sea mayor que esta, además se debe tener en

cuenta la profundidad del acuífero que según estudios realizados esta

a 6 m de la superficie del suelo. Por tanto la profundidad del pozo será

de 7m.

6.5.3. PAREDES DEL POZO.

Para evitar la erosión de las paredes del pozo de succión se debe

introducir un tubo metálico de acero de 30cm de radio que a su vez

tendrá una longitud filtrante de 1m con una profundidad de 7m.

6.5.4. UBICACIÓN EN EL AREA DEL PROYECTO

El pozo estará ubicado en el centro geométrico del área de trabajo con

el fin de determinar la distancia máxima de abatimiento del nivel del

agua, es decir, la distancia más lejana del centro y hasta donde se

necesita terreno libre de grandes humedades, esta situación se

muestra en la figura 1.

6.5.5. METODO DE EXCAVACION.

Como solo se excavara un pozo se hace innecesaria el alquiler de una

maquina de perforación para excavar un solo pozo, por tanto el pozo

se excavara de manera manual.

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7. COSTOS DEL PROYECTOS (se harán en una tabla con los siguientes

componentes)

7.1.Contos de obreros

7.2.Costos maquinaria (alquiler retroexcavadoras, volquetas)

7.3.Costo por bombas hidráulicas

7.4.Costos por sistema de tabla estacas

7.5.Costos por tubo de acero

7.6.Costos del sistema Wellpoint

7.7.Costos de herramientas manuales

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8. CONCLUSIONES

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9. BIBLIOGRAFIA

1. Tarbuck, Lutgens: “Ciencias de la tierra, introducción a la geología física”

recuperado del siguiente enlace: http://www.rutageologica.cl/index.php?

option=com_content&view=article&id=393&Itemid=95&limitstart=3

2. WORDREFERENCE (2005): “Excavación” recuperado el 24 de mayo de

2013 del siguiente enlace:

http://www.wordreference.com/definicion/excavaci%C3%B3n

3. FERRERLS: “Well Point” recuperado el 24 de mayo de 2013 del

siguiente enlace: http://www.ferrersl.com/portal/es/wellpoint.html

4. CONSTRUMATICA: “Well Point por Inyeccion” recuperado el 24 de mayo

de 2013 del siguiente enlace:

http://www.construmatica.com/construpedia/Excavaci

%C3%B3n_Bajo_Nivel_Fre%C3%A1tico_-_Well_Point

5. CONSTRUMATICA: “Well Point por Inyeccion” recuperado el 24 de mayo

de 2013 del siguiente enlace:

http://www.construmatica.com/construpedia/Excavaci

%C3%B3n_Bajo_Nivel_Fre%C3%A1tico_-_Well_Point

6. Bustamante, Solano, Arrieta ed. al (2011): “Control del Nivel Freático de

una Excavación”

7. Sanchez Juan (2012): “demolerán Box Culvert sobre el canal matute”

articulo periodístico, recuperado el 24 de mayo de 2013 del siguiente

enlace: http://www.eluniversal.com.co/cartagena/local/demoleran-box-

culvert-sobre-el-canal-matute-98718

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Documents

Manejo de Agua Subterranea Trabajo Final