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By yUlmerth 2013-I 8vo “B”
UNIVERSIDAD ANDINA “NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”FACULTAD DE INGENIERIAS Y CIENCIAS PURAS
CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
ABASTECIMIENTO DE AGUAY ALCANTARILLADO UNIDAD DIDÁCTICA III
FUENTES DEABASTECIMIENTO Y OBRAS DE CAPTACIÓN
DOCENTE:Ing. Franz Joseph BARAHONA PERALES
3.1.1 OBRAS DE CAPTACIÓN DE RÍOSDeben localizarse en zonas donde el suelo sea estable y resistente a la erosión, procurando que la captación se haga en un sector recto del cauce.a) PERIODO Y CAUDAL DE DISEÑODependerá mucho del tamaño del proyecto, pero en sistemas rurales pequeños el periodo de diseño puede ser de 15 años. En proyectos mayores, para ciudades intermedias y ciudades capitales el periodo de diseño puede ser de 30 años.b) TIPOS DE BOCATOMAPara determinar el tipo de bocatoma a seleccionar se toma en cuenta la naturaleza del cauce y la topografía general del proyecto.
TOMA LATERAL CON MURO TRANSVERSALSe emplea en ríos relativamente pequeños o quebradas, en donde la profundidad del cauce no es muy grande.
BOCATOMA LATERAL CON BOMBEO
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Se emplea en ríos con caudales grandes y de una sección relativamente ancha.
BOCATOMA LATERAL POR GRAVEDADSe emplea en ríos profundos de manera similar a la toma con muro transversal, reemplazando el muro por compuertas y la rejilla por otra de mayores dimensiones.
3.1.2 OBRAS DE CAPTACIÓN DE LAGOS• TORRE DE CAPTACION
Por medio de una torre con orificios a diferentes alturas, se puede captar el agua sin importar el nivel al cual se encuentre; posteriormente, se conduce el agua a un pozo de succión.
SIFÓN
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Si las condiciones topográficas lo permiten, se puede hacer un sifón que conduzca el agua a un canal. Se requiere una bomba para cebar el sifón y una válvula reguladora del caudal.
TOMA DE FONDOSe emplea en lagos y en ríos de gran caudal y poca velocidad; de baja turbiedad con el fin de no colmatar muy rápidamente el filtro de grava, se debe disponer de un sistema de retro lavado de filtros.
NUCLEO 02:CAPATACION DE FUENTES SUBTERRANEAS
3.2.1 POZOSUn pozo es una estructura utilizada para captar el agua subterránea de un acuífero. Existen diferentes tipos de pozos, según sea la forma de su construcción y según la añera de captación de agua.En cualquier caso existen normas generales para la localización y protección de cualquier pozo, algunos de ellos son:
No se deben ubicar en terrenos inundables, en el caso de terrenos planos se debe hacer un relleno a manera de plataforma alrededor del pozo.
El pozo debe estar localizado lejos de cualquier fuente de contaminación como pozos sépticos, letrinas, caños de aguas negras, rellenos sanitarios y otros. Se recomienda ubicar el pozo a una distancia mínima de 25 metros de cualquier fuente de contaminación.
Se debe evitar el acceso de toda clase de animales en los alrededores del pozo, se incluye la protección que se debe dar contra roedoresLa obra de captación de una fuente subterránea la constituye el pozo o la galería de infiltración, para lo cual se debe tomar en cuenta los siguientes
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NIVEL ESTÁTICO.Es la distancia medida desde la superficie del terreno hasta el nivel del agua en el pozo no afectado por ningún bombeo, este nivel está definido por la línea de carga en el acuífero, pudiendo variar ligeramente por efecto de lluvias, sequías, mareas, etc.
NIVEL DE BOMBEO.Es la distancia medida desde la superficie del terreno hasta el nivel del agua en, el pozo cuando se extrae un determinado gasto. Evidentemente este nivel es dependiente del gasto bombeado.
ABATIMIENTO.Es la distancia entre el nivel de bombeo y el nivel estático, y similarmente será función del gasto bombeado.
3.2.1.1 TIPOS DE POZOSExisten diferentes tipos de pozos según su construcción:
a) POZOS EXCAVADOS.Son pozos superficiales cuya profundidad está entre 3.5 y 10 metros, debido a lo anterior son fácilmente contaminables por lo cual debe preferirse en tanto sea posible construir pozos más profundos.Su excavación se hace manualmente y de sección circular, cuyo diámetro puede variar entre 0.8 y 1.5 metros con el fin de evitar la contaminación ambiental, el pozo debe ser revestido en su parte superior, generalmente los primeros 3.5 metros, el material de revestimiento puede ser concreto, metal, tubos de cemento, etc.
a.1) POZO EXCAVADO CON CAMISA DE CONCRETO.Profundidad del orden de 25 metros, en suelos relativamente blandos y puede abastecer un conjunto de casas pequeñas, la tubería de hinca es de 2" o menos, dependiendo de las necesidades del caudal, en parte inferior se coloca una punta que tiene un diámetro mayor que el de la tubería en la cual se perforan orificios con un diámetro de 1/8" y 1/6", para dejar entrar las partículas de arena del acuífero.
b) POZOS BARRENADOS O TALADRADOS.
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Son pozos también superficiales, pero debido al método de construcción son de menor diámetro, en su construcción se puede emplear barrenos o taladros manuales o mecánicos, estos pozos deben ser protegidos por medio de revestimientos similar al de los pozos excavados.
c) POZOS HINCADOS.Como su nombre lo indica, la construcción de un pozo hincado consiste en enterrar una tubería generalmente de fierro forjado, golpeando en su parte superior con un mazo o martinete.
d) POZOS PERFORADOS.Este tipo de pozos es el más adecuado para el suministro de agua a poblaciones de cierto tamaño o para instalaciones industriales, por la naturaleza de su construcción son pozos profundos, pueden llegar fácilmente a 150 metros de profundidad y por lo tanto los de mejor calidad de agua, puede atravesar cualquier tipo de formación geológica, lo cual es un limitante de los pozos anteriores.
d.1) PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN.Se hace dejando caer un barreno pesado dentro del hueco, el cual al llegar al fondo rompe el material de la formación. Por medio de un motor se levanta el barreno y se le echa agua al pozo para extraer el material disgregado por medio de una bomba o de una cuchara cilíndrica.
d.2) PERFORACIÓN HIDRÁULICA ROTATORIA.Con este método se usa agua a presión para ir extrayendo el material triturado el elemento rotatorio, el agua se reutiliza previa sedimentación de la misma.
d.3) PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN Y ROTACIÓN.Este es un sistema de perforación que combina los dos métodos anteriores.
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3.2.1.2 VELOCIDAD DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS.La velocidad de las aguas subterráneas fue estudiada experimentalmente por Darcy en 1856, quien asimiló el fenómeno al paso del agua por tubos capilares.El movimiento de las moléculas de agua en un manto acuífero es debido a la gravedad, asimismo la velocidad depende de la temperatura del subsuelo, de la clasificación de los materiales que la forman y de la porosidad de estos.El gasto de una sección transversal del manto, es igual al producto poros, por la velocidad en la unidad de tiempo.
Q = V * ATeniendo presente lo anterior, Darcy propuso la fórmula siguiente:
Q = Kc * p * S * ADónde:
Q = gasto o caudalKc= permeabilidad constantep = porosidad del materialS = gradiente del agua subterráneaA = área de la superficie atravesada por el agua
3.2.1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS POZOS.Por su dimensión transversal los pozos se clasifican en:
Ordinarios o excavados 1.50 a 15.00 m de diámetro Entubados o perforados 0.15 a 0.60 m de diámetro Profundos 0.05 a 0.15 m de diámetro
De acuerdo como captan el agua se les divide en: Pozos filtrantes por el fondo. Pozos filtrantes por los costados.
En cuanto a aquellas en que el agua surge hasta el nivel de la boca o a mayor altura, en: Pozos artesianos o surgentes.
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Pozos semi-artesianos o semi-surgentes.3.2.1.4 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES.Si en un pozo que capta por los costados, se le profundiza hasta que el manto o superficie superior del manto acuífero se asiente en un manto impermeable, esta altura disminuirá o se deprimirá hasta "hw" si se bombea el pozo, pero "hw" se conservará constante cuando el volumen de agua bombeada sea igual al del agua que fluye al pozo.
La mesa de agua que sin error apreciable la suponemos horizontal, tomará una forma parabólica, creando lo que se llama cono de la napa, y el radio de la base de este cono será el radio del círculo de influencia del pozo.
De la figura se tiene:
H = Profundidad del agua en el pozo, antes del bombeo, es igual al espesor del manto acuífero atravesado por la perforación.hw = Profundidad de agua en el pozo, durante el bombeo.S = Gradiente del agua subterránea en el punto de la curva de depresión.R = Distancia horizontal del centro del pozo al punto de tangencia entre la superficie superior de la napa y la curva de depresión. En otros términos, "R" es el radio del círculo de influencia.rw = Radio del pozo.W = Diámetro del pozo, o sea 2rw.
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A = Área de la superficie atravesada por el agua.x = Distancia horizontal, de un punto de la curva de depresión, al eje del pozo, y = Potencia del manto acuífero en el punto m de la curva de depresión.P = Porosidad del material en el que está perforado el pozo, v = Velocidad del agua subterránea.Kc = Permeabilidad constante.K = Factor que expresa una característica de la zona, y que es constante para cada lugar, representa también la capacidad específica del pozo.
3.2.1.5 DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO DE UN POZO FILTRANTE POR LOS COSTADOS.La fórmula usual para estimar el rendimiento "Q" de un pozo es:
Donde "K" es igual:
En la fórmula tenemos dos incógnitas que son Q y R; y para resolverla podemos suponer el valor de una de ellas y determinar así el de la otra, o podemos estimar el valor de R en función de las constantes del terreno, como por ejemplo aforando la producción continua del pozo.
3.2.1.6 CALCULO DEL RADIO DE INFLUENCIA DE UN POZO.Para ello se supone aunque no sea rigurosamente exacto que trazando un plano normal al movimiento de las aguas subterráneas, el volumen de agua que penetra al pozo es igual al que pasa por un área cuadrangular cuya base es 2R y de altura "H".
En la que “S” es la gradiente de la mesa de agua o sea del manto acuífero antes del bombeo.
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Igualando esta expresión con la ecuación para estimar el rendimiento de un pozo “Q” tenemos:
Despejando “R” tenemos:
3.2.1.7 RENDIMIENTO DE LOS POZOS ARTESIANOSLa fórmula que permite calcular el gasto "Q” de un pozo artesiano se basa en las mismas hipótesis que se han presentado para el caso de los pozos filtrantes por los costados.Si el pozo artesiano representado en la figura anterior, se supone que esta perforado hasta apoyarse o penetrar en un manto impermeable, llamando "b" al espesor de la capa filtrante, podemos desarrollar la fórmula del rendimiento con las anotaciones anteriores:
Se obtendrá:
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Y como ya hemos expresado la capacidad específica de un pozo es constante para una misma clase de terreno, entonces tenemos:
La fórmula del gasto de un pozo artesiano quedará de la siguiente manera:
La fórmula para pozos artesianos solo se puede emplear cuando hw>b, porque si se deprime bajo el estrato impermeable, se cae en el caso de un pozo filtrante por los costados.
3.2.1.8 HIDRÁULICA DE POZOSa) MÉTODO DEL EQUILIBRIO
También conocido como flujo estable. Se aplica únicamente cuando existe en el pozo ^un estado estacionario, por el cual la razón de flujo concurrente es igual a su razón de descarga por bombeo.El método exige al material acuífero dos condiciones:
Homogéneo Isotrópico
a.1) ACUÍFEROS NO CONFINADOS EN EQUILIBRIO
Q = caudal de extracción de un pozorw = radio del pozoR = radio de influenciaH = altura respecto al lecho impermeable del acuíferohw = altura de agua en el pozo respecto al nivel del lecho impermeable
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PERMEABILIDAD:Representa la facilidad con que el agua fluye a través de un estrato. Se ha determinado que la velocidad "V" es proporcional al gradiente hidráulico unitario "S".
Dónde:V = Cantidad de agua fluyendo a través de un área unitaria de sección transversal bruta.Kc = Coeficiente de permeabilidad.S = Gradiente hidráulico (pérdida de carga por unidad de longitud en la dirección del flujo).
TRANSMISIBILIDAD:Flujo vertical por ancho unitario.
POROSIDAD:Se define como la relación de volumen de vacíos al volumen total, mide la capacidad de una formación para contener agua. La porosidad varía desde valores muy altos en las arcillas (45%) hasta valores muy bajos en las formaciones con grandes cavidades o cavernas.
CAPACIDAD ESPECÍFICA:
Se toma en cuenta los conceptos fundamentales del flujo a través de medios porosos. La ecuación de continuidad establece que la descarga específica o flujo a través de un cilindro es:
Dónde:Q = caudalA = área transversal del cilindro V = velocidad o flujo
El coeficiente de permeabilidad o conductividad hidráulica, está dado por la ecuación de Darcy.
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Una medida del escurrimiento hacia el pozo se obtendrá dividiendo el cono de abatimiento en cilindros verticales de espesor diferencial y midiendo el escurrimiento a través de ellos.En el gráfico mostrado se asume un cilindro diferencial de eje en el pozo (radio X, altura Y); Dónde:R = radio de influenciarw = radio del pozo centralH = altura o espesor del acuíferohw = altura del agua en el pozoP = descenso del nivel del agua en el pozoPara determinar el gasto o caudal asumiendo un cilindro diferencial de eje en el pozo, se tiene la siguiente fórmula:
Para determinar los parámetros de producción del acuífero con la ayuda de dos pozos de observación de menor diámetro, se tiene la siguiente fórmula para un punto "m" de coordenadas (X,Y) sobre la curva del cono de depresión del nivel freático.
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a.2) ACUÍFERO CONFINADO EN EQUILIBRIO
Dónde:Q = caudal de extracción de un pozo rw = radio del pozoR = radio de influenciaH = altura respecto al lecho impermeable del acuífero confinado b = altura del acuífero confinadohw = altura de agua en el pozo respecto al nivel del lecho impermeable acuífero confinado.
Para obtener el gasto o caudal asumiendo un cilindro diferencial de eje en el pozo se tiene la siguiente fórmula:
Para determinar los parámetros de producción del acuífero con la ayuda de dos pozos de observación de menor diámetro, para un punto "m" de coordenadas (x,Y) sobre la curva del cono de depresión del nivel freático, se tiene la siguiente fórmula:
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