Mediciones de Permeabilidad in Situ

UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

CURSO 4FLUJO DE AGUA EN SUELOS

FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

TEMA 2MEDICIONES DE PERMEABILIDAD IN SITU

2011

METODOS DE TERRENOPRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACIONPRUEBAS TIPO SLUG TESTSPRUEBAS DE INFILTRACIONPRUEBAS GEOTECNICASPRUEBAS CON TRAZADORESPRUEBAS DE BOMBEO

METODOS DIRECTOS PARA CALCULAR K (TERRENO)


Los mtodos de terreno permiten identificar la conductividad hidrulica de un suelo en forma directa a travs de experiencias que involucran la excavacin de norias o pozos superficiales, en los cuales se efectan:

Pruebas de agotamiento y recuperacin

Slug tests

Pruebas de infiltracin

Pruebas geotcnicas

Medidas de velocidad de la napa mediante el uso de trazadores

Pruebas de bombeo en pozos profundos


METODO PARAMETRO VALIDEZ

Pruebas de Agotamiento y Recuperacin Conductividad Hidrulica Horizontal 1 a 5 m

Slug Tests Conductividad Hidrulica Horizontal 1 a 5 m

Pruebas de Infiltracin Tasa de infiltracin y Conductividad Hidrulica Vertical 1 a 5 m

Pruebas Geotcnicas Conductividad Hidrulica Horizontal 1 a 5 m

Pruebas con Trazadores Conductividad Hidrulica Horizontal 1 a 20 m

Pruebas de Bombeo Conductividad Hidrulica Horizontal y Transmisividad 200 a 500 m

PRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION (AUGER HOLE)

Las pruebas de agotamiento y recuperacin requieren la perforacin de una zanja, pozo o noria de pequea profundidad que comprometa al menos una parte de la napa de aguas subterrneas.

Mediante el uso de pequeas bombas es posible extraer agua del pozo (agotamiento) y medir la recuperacin de la napa a lo largo del tiempo. A partir de la informacin de niveles y de la geometra del pozo es posible estimar el coeficiente de permeabilidad.

Analizaremos dos tipos:

Perforacin entubada

Perforacin no entubada

PRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION (AUGER HOLE)

PRUEBA DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION

PERFORACION ENTUBADA

PRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION (PERFORACION ENTUBADA)

La prueba en perforacin entubada requiere la perforacin de un pozo aproximadamente cilndrico, el cual se reviste con un tubo de mayor dimetro. La porcin inferior de la perforacin se deja sin entubar para permitir la entrada del agua subterrnea hacia el pozo durante la etapa de recuperacin.

Para llevar a cabo la prueba el nivel de aguas se deprime mediante el uso de una bomba y se mide su recuperacin a travs del tiempo.

tversush

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0 2 4 6 8 10

Tiempo (seg)

H

(

m

)

0.0505

0.000100.0874

0.00690.1413

0.01080.1982

0.01770.3871

0.03560.5600

Cambio Nivel Agua (m)

Tiempo (s)

Cambio Nivel Agua (m)

Tiempo (s)

0.00

0.01

0.10

1.00

0 2 4 6 8 10

Tiempo (seg)

H

(

m

)

PRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION (PERFORACION ENTUBADA)

El coeficiente de permeabilidad se estima a partir de la siguiente relacin:

en donde r es el radio interior del tubo y S es un factor de forma que depende del dimetro de la perforacin no entubada y de la longitud del tramo entubado ubicado por debajo del nivel fretico. El valor de S se obtiene del grfico.

aS /

( )( )12

212 /ln

tthh

SrK =

aL /

PRUEBA DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION

PERFORACION NO ENTUBADA

PRUEBAS DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION (PERFORACION NO ENTUBADA)

En la prueba en perforacin no entubadase excava un pozo de seccin circular hasta comprometer parcial o totalmente la napa de aguas subterrneas a lo menos en una longitud de 50 cm. En este caso la excavacin no se reviste. Al igual que en la prueba anterior, el nivel de aguas se deprime mediante el uso de una bomba y se mide su recuperacin a travs del tiempo.


En el caso que la perforacin atraviese slo parcialmente la napa, el coeficiente de permeabilidad se estima a partir de la siguiente relacin:

donde S=a d/0.19 en el sistema MKS.

( )( )12

21 /ln2 tt

hhad

SaK +=


En el caso que la perforacin comprometa totalmente el espesor de la napa, el coeficiente de permeabilidad se estima a partir de la siguiente relacin:

donde S=a d/0.19 en el sistema MKS.

( )( )12

21 /ln2 tt

hhdSaK =

EJEMPLO DE PRUEBA DE AGOTAMIENTO Y RECUPERACION

PERFORACION NO ENTUBADA

Nombre Calicata C1 Ubicacin Relleno Sanitario La Yesca Coordenada Norte 6211207.045 m Coordenada Este 343495.101 m Area 2.9 m Radio efectivo 0.96 m Profundidad del Agua 1.08 m (Medida desde la superficie libre)

Tiempo Nivel Tiempo Nivel [seg] [m] [seg] [m]

0 0.81 840 0.71 30 0.805 1020 0.695 60 0.802 1080 0.689 90 0.799 1200 0.678

120 0.795 1320 0.667 150 0.79 1440 0.658 180 0.787 1560 0.648 210 0.782 1680 0.638 240 0.78 1800 0.628 270 0.777 2100 0.603 300 0.77 2400 0.578 360 0.762 2700 0.56 420 0.754 3000 0.539 480 0.748 3120 0.535 540 0.743 3300 0.523 600 0.737 3600 0.502 720 0.722

0.10

1.00

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Tiempo t [seg]

P

r

o

f

u

n

d

i

d

a

d

h

[

m

]

( )( ) mftt

hhad

SaK =+=

12

21 /ln2

CalicataC1

A [m] 2.9a [m] 0.96d [m] 1.08S [m] 5.46f [m] 1.68

Parmetro Unidad

Parmetro Unidad Calicata C1f m 1.68m 1/s 0.00013K m/s 0.00022K m/da 19.31

ANTECEDENTES HISTORICOS

Metodologa para evaluacin de sistemas hidrogeolgicos ampliamente utilizada para caracterizacin de sitios contaminados en los ltimos 20 aos.

El cambio en el nivel de agua en el pozo se produce por la agregacin instantnea (o muy rpida) de un pistn o en algunos casos de agua. Posteriormente se mide el cambio o recuperacin del nivel de agua en la perforacin hasta alcanzar su nivel original.

Usos ms comunes:a) Caracterizar sitios contaminados donde no es factible bombear o inyectar aguab) Caracterizar sistemas acuferos de baja permeabilidad

ANTECEDENTES HISTORICOS

Porqu se ha ampliado tanto su uso en los ltimos aos:

1) Bajo Costo en trminos de implementacin y personal en terreno2) Simplicidad de inicio y mantencin de la prueba3) Relativamente rpidos4) Muy adecuados para formaciones de baja permeabilidad5) No se requiere llevar agua para desarrollo de pruebas en terreno6) Con un buen diseo experimental esta metodologa provee

informacin sobre la variacin espacial de la conductividad hidrulica

7) Anlisis de resultados relativamente simple

Escepticismo acerca de su validez:1) Resultados difieren de aquellos obtenidos por otras metodologas2) No hay desarrollo adecuado de los pozos (especialmente

monitoreo)3) Efecto de mtodo de perforacin

Condicin Inicial t = 0 t = t1 t = t2 t = t3

Slug tests se llevan a cabo subiendo o bajando en forma instantnea el nivel de agua en una perforacin y midiendo la recuperacin del nivel de aguas original (previo a la prueba).

Es una alternativa barata y rpida a las tradicionales pruebas de bombeo.

SLUG o PISTON

Insertar pistn

AIRE A PRESION

SLUG TEST hacia adelante (Forward)

SLUG TEST en reversa (Reverse)

Sobreamortiguada

Subamortiguada

METODOS PARA INTERPRETACION

HVORSLEV SLUG TEST

HVORSLEV SLUG TEST

Para esta prueba se utilizan pozos de observacin que no penetran completamente el acufero.

HVORSLEV SLUG TEST

Plotear H/H0 (log) vs tiempo (aritmetico)

Ajustar una lnea recta a los datos.

Determinar T0 para H/H0 = .37

K = conductividad hidrulicar = radio del pozo ciegoR = radio de la cribaLe = longitud de la criba

Confinado o No Confinado

Si Le/R > 8 entonces

( )0

2

2 TLRLLnrK

e

e

=

0T

( )00 / hhLntT =

EJEMPLO SLUG TEST HVORSLEV

SLUG TEST MTODO HVORSLEV

Tiempo (s)

Cambio Nivel Agua

(m)0 0.5601 0.3872 0.1983 0.1414 0.0875 0.0506 0.0357 0.0178 0.0109 0.00610 0.000

Datos perforacin:

r = 4,1 cmR = 5,8 cmLe = 12 m

Datos prueba:

h0

SLUG TEST MTODO HVORSLEV

Tiempo(s)

h (m)

h/ho

0 0,560 1,0001 0,387 0,6912 0,198 0,3543 0,141 0,2524 0,087 0,1555 0,050 0,0896 0,035 0,0637 0,017 0,0308 0,010 0,0189 0,006 0,01110 0 0,000

8>RLe

0

2

2)/ln(

TLRLrK

e

e

=

)/ln( 00 hh

tT =

Procedimiento:

Si entonces

Donde

para h/h0=0,37

En este caso

89,206 >=RLe

0.01

0.1

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.37

h/h0

t (s)T0 = 1.8 s


BOUWER AND RICE

Este mtodo puede ser usado para analizar norias o pozos cribados. Los pozos pueden penetrar parcial o totalmente la napa.

WL

= t

e

e

C

HHLn

tRRLn

LrK 0

2 12

K = conductividad hidraulicarc = radio de la zona ciegaR = radio del filtro de grava (rW)Re = radio efectivo sobre la cualse disipa la carga hidrulicaLe = longitud de la cribaH0 = descenso en tiempo t = 0Ht = descenso en tiempo tt = tiempo desde inicio de prueba

BOUWER AND RICE

BOUWER AND RICE

Pozo parcialmente penetrante: LW < H

Pozo totalmente penetrante: LW = H

( )( )[ ] 11.1

++=

RLRLHLnBA

RLLnRRLn

e

W

W

e

( )1

1.1

+=

RL

CRLLnR

RLneW

e

BOUWER AND RICE

BOUWER AND RICE

= t

e

e

C

HHLn

tRRLn

LrK 0

2 12

t

tH

0.01

0.10

1.00

0 0.5 1 1.5 2

Tiempo (minutos)

D

e

s

c

e

n

s

o

(

m

)

EJEMPLO SLUG TEST

BOUWER AND RICE

SLUG TEST MTODO BOUWER Y RICE

5,1 cm

20,3 cm

8,2 m

3,8 m

5,2 m

Expresin Bouwer y Rice

=

te

wec

ss

tLrRrK 0

2

ln*1**2

)/ln(*

Donde para pozos totalmente penetrantes:

1

/)/ln(1,1)/ln(

+=weww

we rLC

rLrR

Con:

rc = 0,026 mrw = 0,102 mLw = 8,2 3,8 = 4,4 mLe = 8,2 5,2 = 3 m


se obtiene grficamente

ss

t0ln*1

0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200

t (s)

h

(

c

m

)

se supone como nivel de equilibrio

t (s) h (cm)0 612 58,36 55,110 52,615 50,826 48,242 4561 41,877 39,692 37,7115 35135 32,9147 31,8168 30189 28,4207 27,1227 25,8257 24286 22,4315 20,9346 19,6386 18430 16,4574 12,1668 9,9731 9,2938 7,71115 6,6

h0 = 6,6 m s = h h0 s0 = s (t=0)


se obtiene grficamente

ss

t0ln*1t (s) h (cm) s (m) ln(s0/s)0 61 0,544

2 58,3 0,517 0,056 55,1 0,485 0,1110 52,6 0,46 0,1715 50,8 0,442 0,2126 48,2 0,416 0,2742 45 0,384 0,3561 41,8 0,352 0,4477 39,6 0,33 0,5092 37,7 0,311 0,56

115 35 0,284 0,65135 32,9 0,263 0,73147 31,8 0,252 0,77168 30 0,234 0,84189 28,4 0,218 0,91207 27,1 0,205 0,98227 25,8 0,192 1,04257 24 0,174 1,14286 22,4 0,158 1,24315 20,9 0,143 1,34346 19,6 0,13 1,43386 18 0,114 1,56430 16,4 0,098 1,71574 12,1 0,055 2,29668 9,9 0,033 2,80731 9,2 0,026 3,04938 7,7 0,011 3,90

1115 6,6 0

ln (s0/s) = 0,0039*t + 0,1467R2 = 0,9964

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

0 200 400 600 800 1000

t (s)

l

n

(

s

0

/

s

)

La pendiente del grfico corresponde a:

=0,0039

ss

t0ln*1


C se obtiene grficamente

Le/rw = 30 C = 2,3

30

2,3


COOPER-BROEDEHOEFT-PAPADOPULOS

COOPER-BREDEHOEFT-PAPADOPULOS

En este mtodo se tiene un acufero confinado que es penetrado completamente por una noria o pozo de gran dimetro.

Un volumen conocido de agua es agregado al pozo en forma instantnea, lo que produce la elevacin rpida del nivel de agua y su posterior incorporacin en el acufero.

En vez de incorporar agua al pozo se puede introducir un pistn que desplaza el agua y produce un efecto similar.

Luego de producido el aumento del nivel del agua se monitorea el descenso en funcin del tiempo.


H(t)

H0

Cr

Sr

b

( ),0

FHH =

2CrtT =

2

2

C

S

rSr =


T: TransmisibilidadK: Conductividad Hidrulica

bKT =

PRUEBAS DE INFILTRACION

En algunos casos es posible obtener una medida de la conductividad hidrulica del suelo a partir de mediciones de infiltracin de agua en el suelo.

Para determinar el coeficiente de conductividad hidrulica o permeabilidad a partir de pruebas de infiltracin se supone que el escurrimiento vertical a travs del suelo se debe nicamente a la fuerza de gravedad.

Debido a lo anterior, el gradiente hidrulico es igual a 1.0 (gradiente unitario).

De esta forma, a partir de la ley de Darcy se determina la velocidad de descenso en un infiltrmetro o en una calicata, la que se supone igual a la permeabilidad.

En algunos casos es posible estudiar la capacidad de infiltracin de un suelo a partir de la incorporacin de agua dentro del suelo a travs de lagunas, sistemas de infiltracin como los anillos concntricos o a travs de una excavacin.

Tasa de Infiltracin(mm/hora)

Arena Menor de 30Arena limosa 20 30

Limo 10 20Arcilla limosa 5 10

Arcilla 1 - 5

Tipo de Suelo

PRUEBAS DE INFILTRACION

LAGUNAS DE INFILTRACION


Lagunas con superficie mnima de 7 m2.

Tasas de infiltracin de largo plazo entre un 10 a 15% de las obtenidas con esta metodologa.

Circulares o rectangulares.

Suelo saturado inicialmente.

INFILTROMETRO CILINDRICO


Un infiltrmetro es un tubo de metal cilndrico de dimetro variable entre 20 y 80 cm, y longitud entre 50 y 100 cm, el que se hinca en el suelo en a lo menos un tercio de su largo. Se llena de agua y se mide la velocidad a la cual el agua infiltra el suelo en el que se ha hincado.

La figura muestra un ejemplo de infiltrmetro doble, en el cual se incorpora agua en el anillo exterior y se deja infiltrar durante un tiempo muy largo para saturar la porcin externa del suelo, luego se realiza una prueba de infiltracin en el tubo interior.

METODO DE PORCHET

Para la estimacin de la tasa de infiltracin en terreno se puede utilizar el mtodo de Porchet, el cual consiste en excavar un cilindro de radio R y se llenarlo con agua hasta una altura h.

22 RhRS +=

( )RhRS += 2

PORCHET

La superficie a travs de la cual se infiltra agua es:

Para un tiempo, dt, suficientemente pequeo para que pueda suponerse que la capacidad de infiltracin, f, es constante se verificarla igualdad:

Simplificando y separando variables:

Integrando la ecuacin anterior se tiene finalmente:

( )RhRS += 2

( )dtdhRfRhR =+ 22

RhdhRdtf += 2

( )

++

= RhRh

ttRf

2

1

12 22ln

2

PORCHET

METODO DE BOUWER

Bouwer et al. (1999) propusieron una metodologa en la cual se considera el efecto de la componente horizontal de la humedad. Esta metodologa considera el uso de un infiltrmetro circular o rectangular con tamao superior a 2 m (dimetro o longitud caracterstica), el cual se opera por perodos de tiempo de hasta seis horas, con alturas de agua entre 30 y 60 cm.

dtdyIINF =

L

BOUWER

La tasa de recarga o infiltracin corregida que considera la zona de expansin lateral del bulbo de saturacin (icor), se puede calcular a partir de la tasa de infiltracin obtenida directamente a partir de la operacin del infiltrmetro (iINF).

Para un infiltrmetro circular:

La longitud del frente de saturacin (L) al final de la prueba de infiltracin se puede calcular utilizando la siguiente expresin para un infiltrmetro circular:

En la expresin anterior, n, se conoce como la porosidad "rellenable" del suelo (fillable soil porosity), la cual puede ser estimada a partir de la textura del suelo y de su contenido de humedad inicial.

( )22

xrrII INFCOR +=

( )22

xrnryL t +=

Tipo de suelo nSuelo uniforme y seco 0.3Suelo moderadamente hmedo 0.2

Suelo muy hmedo 0.1

BOUWER

Aplicando la ley de Darcy para evaluar el flujo vertical que ocurre en la zona saturada (wetted zone), se puede escribir la tasa de recarga corregida como:

donde z es la carga hidrulica promedio sobre el terreno durante la duracin de la prueba. Por su parte hwe es la presin de poros en el suelo antes de ser humedecido, la que es negativa por tratarse de un suelo en condiciones no saturadas.

LhhKi BACOR

=

A

B

zhA =

weB hLh +=

LhLzK

LhhKi weBACOR

+==

BOUWER

El valor de hwe es usado para estimar la succin en la posicin del frente hmedo a medida que ste se mueve verticalmente.

A partir de lo anterior se puede estimar el valor de K como:

Tipo de suelo h we (cm)

arena gruesa -5arena media -10arena fina -15

arena limosa -20limo arenoso -25

Limo -35arcillas estructuradas -30

arcillas no estructuradas -100

we

COR

hLzLiK +=

BOUWER

METODO DE MATSUO

Este ensayo se realiza en suelos secos o semisaturados

Nivel Impermeable Profundo

Nivel Impermeable Somero

MATSUO

HBQK += 2

HBQK = 2

PRUEBAS GEOTECNICAS

En sondajes geotcnicos de pequeo dimetro es posible realizar pruebas de infiltracin que pueden ser utilizadas para conocer la conductividad hidrulica del entorno.

Estas pruebas permiten generar informacin puntual sobre la conductividad hidrulica de un suelo o formacin acufera.

Existen bsicamente dos tipos de pruebas: carga o nivel constante y carga o nivel variable.

En las pruebas de nivel constante se introduce un caudal conocido que permite mantener la altura de agua dentro de la perforacin constante a travs de tiempo.

En las pruebas de nivel variable se introduce o extrae de manera brusca una determinada cantidad de agua, y posteriormente se mide la recuperacin del nivel a travs del tiempo.

Se introduce agua con un caudal constante, Q, para mantener un nivel de agua hm dentro del sondaje.

LEFRANC

mhCQK =

LEFRANCLa conductividad hidrulica se obtiene mediante la siguiente expresin:

donde C es un factor de forma:

Si el sondaje entrega agua slo por el fondo:

( )dLLnLC = 2

2

dC = 75.2

NORMA ASTM

PRUEBAS CON TRAZADORES

La conductividad hidrulica de una formacin acufera puede ser estimada midiendo el tiempo que un trazador se demora en recorrer la distancia entre dos sondajes.

PRUEBAS CON TRAZADORES

Debido a que el agua fluye a travs del acufero a la velocidad de poros es posible escribir:

Si t es el tiempo que el trazador demora en recorrer la distancia L entre los dos sondajes se puede escribir:

Lo anterior permite escribir la siguiente expresin para la conductividad hidrulica:

Lh

nKvR =

tLvR =

tL

hnK

2

=

PRUEBAS DE BOMBEO

El pozo profundo es uno de los principales medios de produccin de aguas subterrneas con que se cuenta. Su comportamiento hidrulico permite obtener valiosa informacin sobre el medio acufero asociado al pozo.

Para determinar la conductividad hidrulica de formaciones acuferas se recurre a las denominadas pruebas de bombeo, en las cuales se opera un pozo de bombeo y se mide la depresin o descenso de nivel en uno o ms pozos de observacin.

La interpretacin de estas curvas, descenso-tiempo, permite obtener el valor de las distintas constantes hidrogeolgicas que describen el sistema en estudio.

Bsicamente las pruebas de bombeo pueden ser clasificadas en dos grandes categoras: pruebas en condiciones de equilibrio y en condiciones de desequilibrio.

PRUEBAS DE

BOMBEO

EQUILIBRIO

DESEQUILIBRIO

CAUDALVARIABLE

CAUDALCONSTANTE

Las pruebas en condiciones de desequilibrio son las ms utilizadas en la prctica. Dependiendo del tipo de captacin, del tipo de acufero y de la forma de extraer el agua (caudal constante o variable), se han derivado una serie de relaciones que permiten el clculo de los parmetros representativos del medio acufero.

Las pruebas de bombeo se pueden clasificar en dos grandes grupos: gasto o caudal variable y gasto o caudal constante.

Las pruebas de gasto variable se realizan para determinar la capacidad de produccin del pozo y para determinar la posicin de la bomba dentro del sondaje.

La prueba de gasto constante es utilizada para determinar las propiedades elsticas o hidrogeolgicas de la formacin acufera (conductividad hidrulica, transmisividad y coeficiente de almacenamiento).

GASTO VARIABLE GASTO CONSTANTE

rh

1 2

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 300 600 900 1200 1500Tiempo (minutos)

D

e

s

c

e

n

s

o

(

m

)

MW1 (m)MW2 (m)MW3 (m)

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Mediciones de Permeabilidad in Situ