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PRESENTA: RENE~UIROZ LOPÉZ TEMA: DISEÑO DE POZOS PARA EXTRACCIóN DE AGUA SUBTERRANEA CON EJEMPLOS DE APLICACION ASESOR EXTERNO: ING. JORGE ESTEBAN ATHALA MOLANO PROFESOR DE ASIGNATURA DEFINITIVO EN HIDROLOGIA Y GEOHIDROLOGIA DE LA ENEP - ACATLAN - UNAM /‘ ASESOR INTERNO: DIPL. GEOL. HORST BLASIG S b &‘I” 1 \Y, COORDINADOR DE LA LICENCIATURA EN INGENIERIA HIDROLOGICA DE LA UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA MAYO DE 2002

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PRESENTA RENE~UIROZ LOPEacuteZ

rsquo TEMA DISENtildeO DE POZOS PARA EXTRACCIoacuteN DE AGUA SUBTERRANEA CON EJEMPLOS DE APLICACION

ASESOR EXTERNO ING JORGE ESTEBAN ATHALA MOLANO

PROFESOR DE ASIGNATURA DEFINITIVO EN HIDROLOGIA Y GEOHIDROLOGIA DE LA ENEP - ACATLAN - UNAM lsquo

ASESOR INTERNO DIPL GEOL HORST BLASIG S b amplsquoIrdquo 1 Y COORDINADOR DE LA LICENCIATURA EN INGENIERIA HIDROLOGICA

DE LA UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA

MAYO DE 2002

iNDlCE i

PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltracioacuten

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas (I 2 4

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

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12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (rsquoI

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

410 Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferosrsquo

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de Disefio de un Pozo 29

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 M6todos de Engravado

116 Lavado

61

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA

141 Uso eficiente

1411 Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltraci6n (le3)

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas ( 1 ~ 2 ~ 4 )

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

11

11

12 12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

29

Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

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Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

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Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

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Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

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Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

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CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

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Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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iNDlCE i

PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltracioacuten

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas (I 2 4

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

11

11

12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (rsquoI

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

410 Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferosrsquo

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de Disefio de un Pozo 29

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 M6todos de Engravado

116 Lavado

61

62

62

62

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA

141 Uso eficiente

1411 Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltraci6n (le3)

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas ( 1 ~ 2 ~ 4 )

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

11

11

12 12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

61

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

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Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

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Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

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Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

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Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

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Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

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Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

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Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

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Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

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CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

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Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

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BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

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BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

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  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (rsquoI

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

410 Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferosrsquo

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de Disefio de un Pozo 29

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 M6todos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA

141 Uso eficiente

1411 Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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iNDlCE i

PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltraci6n (le3)

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas ( 1 ~ 2 ~ 4 )

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

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12 12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

28

Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

29

Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

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Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

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Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

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Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

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Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

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Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

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CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 4: S b &‘I”

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 M6todos de Engravado

116 Lavado

61

62

62

62

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA

141 Uso eficiente

1411 Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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iNDlCE i

PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltraci6n (le3)

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas ( 1 ~ 2 ~ 4 )

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

11

11

12 12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

61

61

62

62

62

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

63

69

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

- 1 -

CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

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Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

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Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

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Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

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Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

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Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

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Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

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Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

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Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

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CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

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Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

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BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

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BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

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  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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iNDlCE i

PROLOG0

CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS 2

1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas 2

CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO 4

21 Ciclo Hidroloacutegico 4

22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico 6

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA 7

31 Aguas superficiales

311 Concepto de cuenca

312 Escurrimiento superficial

313 Evaporacioacuten y transpiracioacuten

314 Precipitacioacuten

315 Infiltraci6n (le3)

CAPITULO 4 CONCEPTOS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterrheas ( 1 ~ 2 ~ 4 )

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

BAacuteSICOS EN AGUAS 11

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12 12

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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69

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

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Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

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Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

29

Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

48

Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

49

CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 6: S b &‘I”

44 Porosidad (n)

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

47 Porosidad Efectiva

48 Permeabilidad intriacutenseca

49 Coeficientes de Almacenamiento

41 O Transmisividad

41 1 Coeficiente de almacenamiento

412 Tipos de acuiacuteferos

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

52 Ley de Darcy

53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

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CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO 27 DE POZOS

61 Ventajas de un pozo bien disefiado 27

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten 27

63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a 29 atravesar

64 Proceso de DiseAo de un Pozo 29

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

9

Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

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Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

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Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

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Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

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Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

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Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

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CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

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Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

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CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

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Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

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Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

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Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

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Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

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12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

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14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 7: S b &‘I”

65 Fases de la planeacioacuten

66 Profundidad del pozo

67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten

681 Caacutemara de bombeo

682 Porcioacuten filtrante

69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del dihmetro

72 Espesor del ademe

73 Materiales del ademe

74 Resistencia a los esfuerzos

75 Resistencia quiacutemica

CAPITULO 8 REJILLA

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas

83 Tipo de rejilla

84 Longitud de la rejilla

85 Abertura de la rejilla

86 Dihmetro de la rejilla

87 Seleccibn del material de la rejilla

88 Resistencia de la rejilla

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49

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

50

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

61

61

62

62

62

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

63

69

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

BlBLlOGRAFlA

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

4

Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

9

Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

20

CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

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Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

49

CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 8: S b &‘I”

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR 50

91 Tipos de filtros

92 Disentildeo de filtros

93 Tamantildeo del grano del filtro

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

95 Materiales usados en filtros

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

CAPITULO I O ENTUBAClbN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

1011 Finalidad de la entubacioacuten

1012 Tipos de entubacioacuten

1013Seleccioacuten de la entubacioacuten

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

102 Cementaciones

1021 Finalidad de las cementaciones

1022 Procedimientos de cementacioacuten

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

1024 Verticalidad y alineacioacuten

1025 Mdtodos de medida

CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO

111 Ampliaciones

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1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

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CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

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CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

BlBLlOGRAFlA

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

12

Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

13

Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

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Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

28

Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

29

Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

48

Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 9: S b &‘I”

1 I 2 El ademado del pozo

113 Tap6n de fondo

1 I 4 Engravado y lavado preliminar

115 Meacutetodos de Engravado

116 Lavado

61

61

62

62

62

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON 63 EJEMPLO DE APLICAC16N

121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

63

69

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA 74

141 Uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

1412 Concepto de uso eficiente de agua

1413 Dimensiones del uso eficiente del agua

142 Reuso de agua

1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales

143 Calidad del agua

BlBLlOGRAFlA

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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

- 1 -

CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

4

Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

6

CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

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Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

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Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

29

Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

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Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

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Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

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CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

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Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

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CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

48

Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

49

CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

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Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

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Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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PROLOGO

Prologo

El agua representa un factor esencial para el desarrollo de la humanidad y todo aquel ser vivo a lo largo de la historia nos hemos dado cuenta de lo importante que es este vital liquido tanto en los pueblos de la antiguumledad como en las grandes ciudades

AI incrementarse la demanda de agua para consumo tanto en el campo industria y hogares principalmente se ha estimulado el desarrollo del suministro de agua subterraacutenea que a su vez a traiacutedo como consecuencia nuevos problemas -como son abatimientos de los niveles de agua subterraacutenea elevando los costos de captacioacuten a mayor profundidad hundimientos del terreno agotamiento y contaminacioacuten de acuiacuteferos

Se han perfeccionado los meacutetodos de afloramiento y movimientos de agua subterraacutenea y se han desarrollado medios para su extraccioacuten y establecido los principios de conservacioacuten asiacute como tambieacuten se han publicado diversos trabajos en los que se tratan aspectos muy interesantes y amplios de la hidrologiacutea subterraacutenea disentildeo y construccioacuten de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea y no dudamos que se siga trabajando para ver aumentados los conocimientos en esta materia

Por otra parte la importancia que tiene un buen disentildeo de un pozo en el que sin duda alguna se deberaacuten tomar en cuenta diversos aspectos como lo es el tipo de acuiacutefero espesor del o los acuiacuteferos que atraviesa las liacuteneas de flujo el material a atravesar durante la perforacioacuten la calidad de agua que esperamos extraer vida uacutetil del pozo y muchos otros aspectos que se abordaran a lo largo de este trabajo

El propoacutesito de este manual no es desplazar los ya existentes sino maacutes bien hacer una guiacutea practica en la que se traten temas relacionados con el disentildeo de pozos para agua a la vez que se aplican a un ejemplo en particular todo esto con el fin de que todas aquellas personas relacionadas en conocimientos como lo es el agua subterraacutenea y en particular disentildeos de pozos para agua puedan tener un mejor criterio sobre lo que es un adecuado disentildeo de un pozo para mejor aprovechamiento y explotacioacuten de un acuiacutefero

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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

9

Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

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CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

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Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

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CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

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Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

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Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

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Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

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Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

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Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

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Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

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Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

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12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

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14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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CAPiacuteTULO I

ANTECEDENTES

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

-2-

Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

-3-

CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

4

Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

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Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

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CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

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Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

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Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

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Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

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Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

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Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

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Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

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CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

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9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
Page 12: S b &‘I”

Capiacutetulo 1

CAPiacuteTULO 1 ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS (I)

ldquoLa explotacioacuten y el desarrollo del agua subterraacutenea datan desde los tiempos maacutes remotos El antiguo testamento contiene numerosas referencias En este capiacutetulo se expondraacuten como antecedentes histoacutericos los descubrimientos hidroloacutegicos referidos a las fechas que se presentaron Custodiorsquo describe que la historia de la Hidrologiacutea esta todaviacutea pendiente de hacer con la uacutenica excepcioacuten probablemente de la aparecida obra de Biswas(l970)rdquorsquo

11 El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas

A continuacioacuten se presentan algunos de los antecedentes histoacutericos en lo referente a avances y teoriacuteas en hidrogeologiacutea

Como un exponente mas claro de la utilizacioacuten de aguas subterraacuteneas en la antiguumledad fueron los Khanat Consisten en una galeriacutea que capta agua subterraacutenea y la transporta a grandes distancias Esta teacutecnica se extendioacute por razones histoacutericas a muchos lugares destacando la construccioacuten de uno de ellos en Egipto en el siglo VI a C Que seguacuten Tolman(1937) pudo haber servido para regar medio milloacuten de hectaacutereas En el medio oriente se construyeron pozos que por lo regular no

sobrepasaron los 100 m pero algunos eran de suficiente diaacutemetro para tener rampas que podiacutean transitar burros Como se hace referencia en el libro Geacutenesis del antiguo testamento La perforacioacuten de pozos desde la superficie no se conocioacute hasta la edad media con excepcioacuten de China donde seguacuten Brantley(1961)hace 1500 antildeos seacute praacutectico la perforacioacuten por percusioacuten A pesar del providencial esfuerzo de los orientales las perforaciones no llegaron a profundidades realmente sorprendentes si no hasta 191 1 ( Bowman) indica 1200 m y 1937(Tolman) incluso 1500 m estas perforaciones no teniacutean por objeto obtener agua dulce sino gas o agua salada[l2] En lo que se refiere al origen de las aguas subterraacuteneas los griegos fueron los primeros en tratar sobre este tema sin embargo sus contribuciones se calificaron de esteacuteriles y contraproducentes pero su merecido prestigio en otras aacutereas condujo a que sus concepciones erroacuteneas fueran admitidas casi sin discusioacuten durante 20 siglos Platoacuten(428 - 347 a C) concibioacute que el agua de los riacuteos y fuentes procediacutea de una serie de conductos interconectados entre si que finalmente terminaban en una gigantesca caverna subterraacutenea Aristoacuteteles(344 - 322 a C) fue gran observador de la naturaleza Su concepcioacuten del ciclo hidroloacutegico fue expuesta en su libro ldquoMeteorologiacuteardquo y difiere a Platoacuten en que el agua de las fuentes procede de un conjunto de aberturas y conductos que hace del terreno una especie de esponja de ahiacute la teoriacutea de que los grandes riacuteos nacen cerca de las grandes montantildeas

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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

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Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

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Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

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CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

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Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

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Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

20

CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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Capiacutetulo 1

La obra romana maacutes interesante desde el punto de vista de la hidrologiacutea subterraacutenearsquo y que es del arquitecto Vitrubio que vivioacute los primeros antildeos de nuestra era en su libro ldquoArchitectura Libri Decemrdquo dedica un capitulo al agua y de los medios de localizar nuevas fuentes de agua de las formas de captar esas fuentes incluye tambieacuten la disertacioacuten sobre las posibilidades de encontrar agua en distintos tipos de suelo y las relaciones entre los tipos de suelo y la calidad del agua El cambio en la tecnologiacutea de la construccioacuten de pozos parece haber experimentado un fuerte impulso se inventoacute la teacutecnica de perforacioacuten a percusioacuten con varios siglos de retrazo sobre la teacutecnica China El impulso para el desarrollo procede ampliamente del descubrimiento de los pozos surgentes primero en Flades hacia el antildeo de 11 OO En el renacimiento Palissy y Leonardo da Vinci Dignos de especial intereacutes por sus concepciones en buena parte correctas sobre el ciclo hidroloacutegico Aunque estas fueron casi ignoradas en su tiempo debido al prestigio miacutetico de las teoacutericas de Aristoacuteteles y Platoacuten Pierre Perrault(l608 - 1680) en su libro ldquoDe 1rsquo origene de fontainesrdquo informa de sus medidas de la lluvia en la cuenca del Sena durante tres antildeos

m) Deme Mariotte(l620 - 1684) realizoacute medidas de lluvia y caudales similares a los de Pierre al riacuteo Sena cerca de Pariacutes pero con mayor precisioacuten Mariotte midioacute tambieacuten la infiltracioacuten del agua de lluvia en una especie de lisiacutemetro

n) El ingles Edmund Halley(l656 - 1742) mas conocido por astroacutenomo estudioacute por decirlo asiacute la otra mitad del ciclo hidroloacutegico Midioacute experimentalmente la evaporacioacuten y llegoacute a la conclusioacuten de que el agua evaporada de los mares y riacuteos es suficiente para producir la lluvia que alimenta a eacutestos uacuteltimos

En el siglo XVlll se aportaron conceptos de mayor intereacutes para la hidrologiacutea general que para la hidrologiacutea subterraacutenea Durante los siglos XVII y XVIII continuaron existiendo las teoriacuteas de Perrault y Halley con otras teoriacuteas erroacuteneas como la del astroacutenomo alemaacuten Kepler quien ensentildeoacute que la tierra era semejante a un gigantesco animal que diera agua del mar y como resultado de su metabolismo produciacutea agua de las fuentes

-3-

CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

4

Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

6

CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

9

Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

11

Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

14

Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

18

Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

20

CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

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Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

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Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

46

Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

49

CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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CAPiacuteTULO 2

EL CICLO

Capiacutetulo 2

CAPITULO 2 EL CICLO

21 Ciclo Hidroloacutegico (233)

Como ya sabemos el ciclo hidroloacutegico es el concepto fundamental de la hidrologiacutea y aunque en este trabajo se enfocaraacute al disentildeo de pozos para extraccioacuten de agua subterraacutenea es un buen punto de partida para adentrarnos y a la vez recordar como es el movimiento del agua en los diferentes medios tal y como se observa en la figura 21

Fuente httpllwwwepagovl

El ciclo hidroloacutegico se puede suponer que comienza cuando una parte del vapor del agua de la atmoacutesfera se condensa y da origen a precipitaciones en forma de lluvia o nieve No toda la lluvia alcanza la superficie del terreno ya que una parte se vuelve a evaporar en su caiacuteda y otra es retenida -intercepcioacuten- por la vegetacioacuten o por la superficie de edificios carreteras etc y de vuelta a la atmoacutesfera al poco tiempo en forma de vapor

Del agua que alcanza la superficie del terreno una parte queda retenida en las charcas o pequentildeos surcos -almacenamiento superficial- y la mayoriacutea vuelve pronto a la atmoacutesfera en forma de vapor Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequentildeos almacenamientos que luego se reuacutenen en arroyos y maacutes tarde desembocan en los riacuteos -escwrimienfo superficial- esta agua pasa a los lagos mar de donde se evapora o bien se infiltrara en el terreno

Por ultimo hay una tercera parte de la precipitacioacuten que penetra bajo la superficie del terreno ldquoJtracioacuten- a traveacutes de los agujeros o canatiacuteculos del suelo y va rellenando los poros o fisuras de este medio poroso Una buena parte de esa infiltracibn no desciende hasta la zona saturada o de agua subterraacutenea(en sentido estricto) sino que se queda en la zona de aireacioacuten no saturada o zona de

4

Capiacutetulo 2

humedad del suelo de donde vuelve a la atmoacutesfera por evaporacioacuten o de un modo cuantitativamente maacutes importante por la traspiracioacuten de las plantas en la practica no es faacutecil separar ambos fenoacutemenos y se suele denominar con eacuteI termino de evapotranspiracioacuten El movimiento del agua a traveacutes del terreno es algunas veces denominado percolacioacuten en otras infiltracioacuten otras flujo subterraacuteneo Se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la accioacuten gravitatoria El agua subterraacutenea o agua de zona saturada puede volver a la atmoacutesfera en forma de evapotranspiracioacuten queda suficientemente proacutexima a la superficie del terreno Otras veces el agua subterraacutenea contribuye en el caudal de los riacuteos alimentando directamente su cauce o a traveacutes de manantiales en zonas costeras a veces esos manantiales son submarinos

Como nos hemos dado cuenta el ciclo hidroloacutegico es un proceso continuo en el que una partiacutecula de agua evaporada del oceacuteano vuelve al oceacuteano despueacutes de pasar por las etapas como escurrimiento superficial infiltracioacuten precolacioacuten evaporacioacuten etc Tambieacuten hay que tomar en cuenta que el movimiento de agua en el ciclo hidroloacutegico se caracteriza por su irregularidad tanto en el espacio como en el tiempo

Ya una vez que hemos entendido el ciclo hidroloacutegico es interesante saber su distribucioacuten cuantitativa para esto se presenta en la tabla 21

I

5

Capiacutetulo 2

22 El agua subterraacutenea en el ciclo hidroloacutegico (I)

La capacidad de almacenar grandes reservas de agua que combinada con pequentildeos flujos proporcionan extensas fuentes de suministro de agua Cuando el desaguumle superficial es pequentildeo o no existe el agua subterraacutenea aflora a la superficie en canales de corriente En algunas regiones durante la mayor parte del antildeo el agua bombeada de los pozos representa la uacutenica fuente disponible

En realidad el agua subterraacutenea se interrelaciona con el agua superficial Las principales fuentes de recarga natural a los depoacutesitos subterraacuteneos son la precipitacioacuten el flujo de corrientes lagos y presas de almacenamiento derivacioacuten etc

Otra contribucioacuten conocida como recarga inducida ocurre por el exceso de riego infiltracioacuten de canales y la recarga artificial mediante meacutetodos de lagunas de infiltracioacuten - precolacioacuten y pozos de inyeccioacuten para aumentar la reserva del agua subterraacutenea El agua de mar tambieacuten puede introducirse bajo la tierra a lo largo de las costas donde el gradiente hidraacuteulico es en la direccioacuten al interior de la tierra El agua se mueve al interior de la tierra(continente En la zona no saturada bajo la accioacuten de la gravedad mientras que en la zona saturada el movimiento viene determinado por la situacioacuten hidraacuteulica de contacto entre el agua subterraacutenea (dulce) y el agua de mar(sa1ada)

Las descargas de agua subterraacutenea ocurren cuando el agua emerge de la tierra interior y fluye hacia la superficie en forma de fuentes riacuteos y lagos El agua maacutes cercana a la superficie puede regresar directamente a la atmoacutesfera por evaporacioacuten en la tierra y por transpiracioacuten en la vegetacioacuten La descarga artificial del agua subterraacutenea la constituye el bombeo de los pozos

6

CAPiacuteTULO 3

CONCEPTOS BAacuteSICOS DE

HlDROLOGiacuteA

Capiacutetulo 3

CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HIDROLOGiacuteA

31 Aguas superficiales ( Ip3)

A continuacioacuten se mencionaraacuten algunos conceptos baacutesicos sobre el estudio de las aguas superficiales con el fin de ver la relacioacuten con el agua subterraacutenea y particularmente sobre el disentildeo de pozos para su extraccioacuten

31 I Concepto de cuenca (I9)

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser derramadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida La definicioacuten anterior se refiere a una cuenca superficial asociada a cada una

de eacutestas existe tambieacuten una cuenca subterraacutenea cuya forma en planta es semejante a la superficial De ahiacute la aclaracioacuten de que la definicioacuten es vaacutelida si la superficie fuera impermeable

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas

a) Endorreicas El punto de salida esta dentro los liacutemites de la cuenca y

b) Exorreicas El punto de salida se encuentra en los liacutemites de la cuenca y generalmente es un lago

esta en otra corriente o en el mar

312 Escurrimiento superficial IJ3)

El escurrimiento se defino como el agua proveniente de la precipitacioacuten que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

Para su estudio conviene dividir al escurrimiento en tres clases escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial y escurrimiento subterraacuteneo

Una vez que el agua alcanza la superficie del suelo se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan AI mismo tiempo que el agua comienza a escurrir sobre la superficie Este escurrimiento llamado flujo en la superficie del terreno y una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en flujo en corrientes

N fhjo en corrientes junto con el flujo en la superficie del terreno se le conoce como escurrimiento superficial Una parte de lo que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y maacutes o menos paralelamente a el A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial la otra parte que se infiltra hasta niveles inferiores al freaacutetico se denomina escurrimiento subterraacuteneo

7

Capiacutetulo 3

Los escurrimientos se pueden ilustrar en forma maacutes clara en hidroacutegrama de la figura 31

Evaporacioacuten es el proceso mediante el cual el agua pasa del estado liquido en que se encuentra en los almacenamientos conducciones y el suelo en las capas a la superficie a estado gaseoso y se transfiere hacia la atmoacutesfera Transpiracioacuten es el agua que se despide en forma de vapor de las hojas de las plantas Esta agua es tomada por las plantas naturalmente del suelo

Evapotranspiracioacuten es la combinacioacuten de evaporacioacuten y transpiracioacuten

La evaporacioacuten se produce baacutesicamente por el aumento de la energiacutea cineacutetica que experimentan las moleacuteculas de agua cercanas a la superficie de un suelo huacutemedo o una masa de agua producido por la radiacioacuten solar el viento y la diferencia en la presioacuten de vapor

La evaporacioacuten puede medirse por medio de evaporiacutemetros que baacutesicamente estaacuten formados por un recipiente en el que se coloca cierta cantidad de agua y se mide diariamente o con la frecuencia que estime conveniente el cambio en el tirante

314 Precipitacioacuten (IJ3)

Desde el punto de vista de la ingenieriacutea hidroloacutegica la precipitacioacuten es la fuente primaria de agua de la superficie y las mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua

8

Capiacutetulo 3

Como sabemos la precipitacioacuten se presenta en diferentes formas siendo la lluvia la mas conocida aunque habriacutea que aclarara que hay regiones en las que la uacutenica forma de precipitacioacuten es por medio de nieve como los polos o en forma de rocioacute en el desierto

Existen varios meacutetodos para el anaacutelisis de los datos de la precipitacioacuten media y estos meacutetodos dependen de varios factores dentro de los que se puede mencionar eacuteI numero de registros la altura de precipitacioacuten y el aacuterea de precipitacioacuten Los meacutetodos maacutes usuales son

1) Meacutetodo aritmeacutetico- Consiste en obtener el promedio aritmeacutetico de las alturas de precipitacioacuten registrada en cada estacioacuten usada en el anaacutelisis

2) Poligonos de Thiessen- Con las estaciones pluviomeacutetricas se forman triaacutengulos y se trazan liacuteneas rectas que bisectan los lados de los triaacutengulos con lo que cada estacioacuten quedaraacute rodeada por liacuteneas rectas formando los poliacutegonos de Thiessen

3) Meacutetodo de las iexclsoyetas- Este meacutetodo consiste en trazar liacuteneas que unen los puntos de igual precipitacioacuten llamadas isoyetas de modo semejante a como se trazan las curvas de nivel en topografiacutea

315 Infiltracioacuten ( I ~ )

Se define como el movimiento de agua a traveacutes de la superficie del suelo y hacia dentro del mismo producido por la accioacuten de fuerzas gravitacionales y capilares

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida recibe el nombre geneacuterico de perdidas En general las perdidas estaacuten constituidas por la interceptacioacuten en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones la retencioacuten en depresiones o charcos (que posteriormente se evapora o se infiltra) la evaporacioacuten y la infiltracioacuten

Factores que afectan la infiltracioacuten

1) Textura del suelo Influye en la estabilidad de la estructura del terreno y esta en funcioacuten de la proporcioacuten de materiales finos contenidos

2) Contenido de humedad inicial Cuando el suelo esta seco al comienzo de la lluvia se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores y este efecto se suma al de gravedad incrementando la intensidad de la infiltracioacuten

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Capiacutetulo 3

3) Contenido de humedad de saturacioacuten A medida que se humedece el suelo las arcillas y los coloides por hidratacioacuten cierran las grietas disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltracioacuten

4) Cobertura vegetal La vegetacioacuten proteje al suelo de la compactacioacuten por el impacto de lluvia frenando el recorrido superficial del agua que de esta asiacute expuesta mas tiempo a su posible infiltracioacuten

5) Uso del suelo El uso que se le da al suelo sobbre todo en grandes ciudades es sin duda importante ya que esto retrasa en buena medida la infiltracioacuten

6) Aire atrapado El aire que llena los poros libres de suelo es desalojado por el agua para ocupar su lugar y esto suaviza la intensidad de la infiltracioacuten

7) Compactacioacuten Dificulta la penetracioacuten del agua y por lo tanto reduce la capacidad de infiltracioacuten

8) Temperatura La temperatura del terreno influye al darse la posibilidad de aumento o disminucioacuten de calor que afecta al fluido (agua ) en su viscosidad y por lo tanto a la infiltracioacuten

9) Pendiente del terreno Influye en el sentido de que al mantener mas o menos tiempo una lamina de agua de cierto espesor sobre el suelo esto retrasara o acelerara la infiltracioacuten

Hacer las estimaciones de la evaporacioacuten asiacute como de los coeficientes de infiltracioacuten y escurrimiento no es el objetivo de este trabajo sin embargo Aparicio3 trata estos temas con mayor amplitud

Se Podriacutean seguir incluyendo mas conceptos de hidrologiacutea de superficie pero no seria el objetivo principal de este trabajo asiacute que se espera que con los ya abordados se entienda la estrecha relacioacuten entre la hidrologiacutea superficial y la subterraacutenea

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CAPITULO4

CONCEPTOS BAacuteSICOS

EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

Capitulo 4

CAPITULO 4 CONCEPTOS BAacuteSICOS EN AGUAS SUBTERRAacuteNEAS

41 Aguas subterraacuteneas ( I 9 4

Es difiacutecil empezar a tratar el tema de aguas subterraacuteneas pero una vez que tomamos el ciclo hidroloacutegico como punto de partida y junto con algunos conceptos de hidrologiacutea superficial se pueda empezar a hablar de hidrologiacutea subterraacutenea y en capiacutetulos posteriores del disentildeo de pozos

Como se mencionoacute en capiacutetulos anteriores el agua subterraacutenea se da en formaciones geoloacutegicas permeables conocidas con el nombre de acuiacuteferos para entender mejor como es este movimiento se tendriacutea que empezar con los espacios libres que existen en los suelos que probablemente esteacuten ocupados por agua y que reciben el nombre de poros posteriormente tendremos que estudiar la velocidad del agua en estos poros para lo cual se haraacute referencia a la ley de Darcy y definir el coeficiente de almacenamiento gradiente hidraacuteulico Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica y algunos otros conceptos que nos ayudaran a comprender mejor el movimiento de las aguas subterraacuteneas sobre todo en medios porosos

42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2f3

Se puede dividir al agua en el suelo en dos zonas diferentes que son

a) Zona de saturacioacuten Debida a la presioacuten hidrostaacutetica todos los poros

b) Zona de aireacioacuten Los poros estaacuten ocupados por agua y aire estaacuten llenos de agua

En la mayoriacutea de los puntos de las superficie de la tierra la Zona de aireacioacuten esta sobre la zona de saturacioacuten

Se puede tambieacuten observar por ejemplo que el nivel freaacutetico sirve como limite superior del acuiacutefero y como limite inferior los estratos impermeables tales como arcilla escamas de estratos rocosos

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Capitulo 4

43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)

Para entender mejor a los acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas conviene definir el concepto de Acuiacutefero Acuiacutecludo Acuitardo y Acuiacutefugo Una vez entendidas estas definiciones sabremos que no todas las formaciones geoloacutegicas pueden transmitir agua o bien lo hacen muy lentamente

a) Acuifero (Del latiacuten aqua =agua y fer0 =llevar) Se le denomina a todo aquel estado o formacioacuten geoloacutegica que permitiendo la circulacioacuten de agua por sus poros o grietas hace que el hombre pueda aprovechar en cantidades econoacutemicamente apreciables para satisfacer sus necesidades

b) Acuicludo (Del latiacuten claudere = encerrar o cerrar) Se define como aquella formacioacuten geoloacutegica que conteniendo agua en su interior incluso hasta la saturacioacuten no la transmite y por lo tanto no es posible su explotacioacuten

c) Acuifardo (Del latiacuten tardare = retardar) Hace referencia a la existencia de numerosas formaciones geoloacutegicas que conteniendo apreciables cantidades la transmiten muy lentamente por lo que tampoco son aptos para el emplazamiento de captaciones

d) Acuiacutefugo (Del latiacuten fugere = huir) Aquellas formaciones geoloacutegicas que no contienen agua ni la pueden transmitir

Siguiendo a Todd2 los acuiacuteferos que se presentan con mayor frecuencia estaacuten formados por depoacutesitos no consolidados de materiales sueltos tales como arenas gravas mezclas de ambos pudiendo tener su origen geoloacutegico muy distinto fluvial como los forman los materiales aluviales de los riacuteos o terrazas de los mismos deltaico si se trata de depoacutesitos acumulados en la desembocadura de los riacuteos depoacutesitos sedimentarios ocasionados por la acumulacioacuten de las partiacuteculas transportadas por gravedad viento hielo etc

44 Porosidad (n)

Un medio poroso es aquel que esta formado por espacios vaciacuteos que pueden ser ocupados por aire y agua El medio poroso se considera saturado cuando este lleno de agua y no saturado cuando contenga agua y aire

Antes de entender mejor la porosidad convendriacutea entender como estaacuten ocupados estos espacios vaciacuteos intersticios o poros

a) Poros originales- se crean en los procesos geoloacutegicos que rigen el origen de la formacioacuten geoloacutegica

b) Poros secundarios- se desarrollan en la roca una vez que ha sido formada Estos se pueden clasificar en capilares suacuteper capilares y sub-capilares

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Capitulo 4

La porosidad depende de la forma y disposicioacuten de las partiacuteculas individuales distribucioacuten por tamantildeos y grados de cementacioacuten y compactacioacuten En la figura 41 se observa los espacios entre las rocas y la relacioacuten entre las texturas de la misma y la porosidad

figura 41 Ejemplos de intersticios y de la relacioacuten que hay entre la textura que Hay entre la textura de las mismas y porosidad (seguacuten Meinzer)

r

L Referencia Todd (L

I Pues bien la porosidad es la relacioacuten entre el volumen de vaciacuteos y el

volumen total del material VV

()Tz = lo0 Ec 41 Y

En donde V = volumen de vaciacuteos (en m3)

vt = volumen total (en m3)

En la tabla 41 se observa algunos valores tiacutepicos de porosidad aunque tendriacuteamos que tomar muy en cuenta que estos variacutean de acuerdo al lugar y seguacuten las circunstancias locales

Tabla 41 Variacioacuten de la porosidad para los materiales sedimentarios

I I

POROSIDAD

45 - 55 ibmos 1 35 -40 11

renas aruesas 30 - 40 30 -35 30 - 40 20 - 35 10-20

Arcillas i 1 Pizarras

Referencia custodio

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Capitulo 4

45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica

El agua de retencioacuten viene expresada por la capacidad de Retencioacuten Especifica (S) del terreno definida por la relacioacuten

S = 100 EC 42 v Y

Donde V es el volumen de agua retenida por la roca

Es la cantidad de agua que libera un material drenado por gravedad por unidad de volumen total Vt

El volumen de agua contenida en una roca liberada por la accioacuten de la gravedad y que se denomina Ve (volumen de agua libre) esta determinado por el rendimiento especifico (porosidad efectiva) nr es decir

n = vi 100 EC 43 Y

De las definiciones anteriores se tiene la siguiente relacioacuten

n = S+ nr EC 44

Para material granular nr es muy cercano a la porosidad efectiva como se vera mas adelante

46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)

La permeabilidades la propiedad de un material poroso para trasmitir el agua de tal manera que permite el paso o infiltracioacuten de estaacute a traveacutes de espacios vaciacuteos (poros) interconectados entre si y depende del tamantildeo de los poros e interconexioacuten de los mismos abertura de las fisuras tamantildeo de conductos y de los granos del material Se mide enj unidades de velocidad (longitud tiempo) o en darcys (un darcy = 1 O-8 cm S )

La permeabilidad es un paraacutemetro muy importante e indispensable de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua circula a traveacutes del elemento permeable de esto depende el rendimiento de las fuentes de captacioacuten y la velocidad de circulacioacuten del agua subterraacutenea

En 1856 el ingeniero franceacutes Henry Darcy descubrioacute la ley que regula el movimiento de las aguas subterraacuteneas midiendo el caudal Q en funcioacuten de la

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Capitulo 4

permeabilidad de los materiales de arena estudiados y observo que este equivale a

= 1 Ec 45 A L

Siendo K llamado coeficiente de permeabilidad para el mismo material del aacuterea de la seccioacuten a traveacutes de la cual se produce el flujo del agua h la diferencia de la carga entre la entrada y la salida de la muestra de suelo y el recorrido que debe realizar el agua

siacute K V Ec 46 A

Siendo v la velocidad media tenemos

Q = = Ki Ec 47 A

Donde el gradiente hidraacuteulico i = h L resulta

V = K i Ec 48a

V K = - Ec 48b i

L T

Las dimensiones de permeabilidad son K =

A continuacioacuten se presentan en la tabla 42 la permeabilidad para algunos tipos de terreno asiacute como una clasificacioacuten de acuiacuteferos y drenaje basaacutendose en su permeabilidad

Tabla 42 Permeabilidad para diferentes tipos de materiales

PERMEABILIDAD (m diacutea) IO-^ IO-rsquo IO-^ 10~ lo4 lo3 l o 2 io1

Tipo de terreno Arcillas no Arena fina arena arcillosa Arena limpia Grava limpia mezcla meteorizadas mezcla de arena limo y arcilla

de grava y arena arcillas estratificadas

Calificacioacuten

No drenan Drenan mal Drenan bien Drenaje

Impermeables Acuiacuteferos pobres Buenos acuiacuteferos

Capacidad de

Fuente Custodio lsquorsquorsquo

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Capitulo 4

Para material granular cuando la velocidad de infiltracioacuten es alta comienza a haber efectos no lineales en el flujo primero de primero de inercia y a mayor velocidad de turbulencia En esas condiciones no es valida la ley de Darcy que es lineal el limite de su valides se da con el numero de Reynols (relacioacuten entre fuerzas inerciales y viscosas) de infiltracioacuten

VD Re = Ec 41 1

V

donde

D diaacutemetro de infiltracioacuten se toma igual al Dlo de la curva granulomeacutetrica del material

v viscosidad cinemaacutetica del fluido igual a p p p es la densidad del fluido

Estrictamente la ley de Darcy deja de cumplirse para Re gt 1 pero no se comete mucho error si se utiliza para 10 2 R rango en el caen la mayor parte de los casos praacutecticos de los flujos de agua en acuiacuteferos

49 Coeficientes de Almacenamiento

El coeficiente de Almacenamiento (S) es el volumen de agua que sale por unidad de volumen de un acuiacutefero cuando la carga hidraacuteulica desciende una unidad de longitud (unidades (Lrdquo))

En acuiferos confinados el agua sale al descender la presioacuten hidraacuteulica (presioacuten de poro) proviene de la expansioacuten elaacutestica de la propia agua y de la compresioacuten de la estructura soacutelida que recibe la presioacuten que deja de soportar el agua

En acuiacuteferos libres el efecto descrito es muy pequentildeo comparado con el drenado del material cerca de la superficie freaacutetica de donde proviene el agua que sale del acuiacutefero al descender la carga hidraacuteulica

El coeficiente de Almacenamiento Especifico (SS) es la cantidad de gua que sede y o toma un volumen unitario de material confinado cuando desciende una unidad el nivel de agua

Las ecuaciones para obtener el coeficiente de almacenamiento son

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Capitulo 4

a) Para acuiacuteferos libres

S = sy b) Para acuiacuteferos confinados

Donde S = coeficiente de almacenamiento Sy = rendimiento especifico (adimensional) SS = coeficiente de almacenamiento especifico m b = espesor del acuiacutefero confinado en m

410 Transmisividad

Partiendo de la ley de Darcy expresada como

Q = K A I Ec 412

Si se considera la seccioacuten A igual al ancho B del acuiacutefero y espesor b se tiene

A = bB Ec 413

y la ley de Darcy se puede escribir como

Q = KBL Ec 414

AI producto de Kb se le llama Transmisividad y se designa por T quedando la ley de Darcy de la siguiente forma

Q = TBi Ec 415

El coeficiente de Transmisividad fue introducido por Theis en 1935 y se define como el caudal que se filtra a traveacutes de una franja vertical del terreno de ancho y altura igual al espesor del manto permeable saturado bajo un gradiente unitario a una temperatura fija determinada

Y sus dimensiones son

( T ) = [L]z [TI Ec 416

Expresado en m2diacutea o cm2seg

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Capitulo 4

41 I Coeficiente de almacenamiento

El coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acuiacutefero de seccioacuten igual a la unidad y altura igual al espesor del acuiacutefero saturado si se produce un descenso unitario del nivel piezomeacutetrico o de carga hidraacuteulica

El coeficiente de almacenamiento representado por S no tiene dimensiones Seguacuten la definicioacuten en los acuiacuteferos libres el coeficiente de almacenamiento es igual al rendimiento especifico es decir al volumen de agua drenada por gravedad de una unidad de acuiacutefero saturado

En los acuiacuteferos confinados o cautivos entra en juego los efectos mecaacutenicos de compresioacuten del terreno y de la expansioacuten del agua Pues bien los valores del coeficiente de almacenamiento S son completamente distintos seguacuten se trate de uno u otro caso Los acuiacuteferos tienen un rango que varia entre 005 a 030 y los acuiacuteferos confinados variacutean de I O rdquo a

412 Tipos de acuiacuteferos2

Los acuiacuteferos mencionados han sido clasificados respecto a sus caracteriacutesticas litoloacutegicas A continuacioacuten se daraacute una clasificacioacuten maacutes importante y que los agrupa de acuerdo con la presioacuten hidrostaacutetica del agua encerrada en los mismos Ademaacutes esta clasificacioacuten es la maacutes conveniente para el disentildeo de pozos que es el objetivo principal de este trabajo

De acuerdo con lo anterior los acuiacuteferos se clasifican como

a) Acuiacuteferos libres no confinados o freaacuteticos son aquellos en los cuales existe una superficie libre de agua encerrada en ellos que esta en contacto directo con el aire y por lo tanto a la presioacuten atmosfeacuterica

b) Acuiacutefero caufivos confinados o a presioacuten son aquellos en los que el agua de los mismos esta sometida a cierta presioacuten superior a la atmosfeacuterica y ocupa la totalidad de los poros o huecos de la formacioacuten geoloacutegica que la contienen saturaacutendola totalmente Por ello durante la perforacioacuten de los pozos en acuiacuteferos de este tipo al atravesar el techo del mismo se observa un ascenso raacutepido del nivel de agua hasta estabilizarse en una determinada posicioacuten de acuerdo con esto y la posicioacuten del nivel topograacutefico de la boca del pozo pueden considerarse pozos surgentes o fluyentes aquellos en los cuales el nivel piezomeacutetrico esta situado en la cota superior de la boca del pozo

19

Capitulo 4

c) Acuiferos sernicaufivos o serniconfinados estos acuiacuteferos son un caso particular de los acuiferos cautivos en los que la capa confinante superior que lo encierra no sea totalmente impermeable y definida como Acuitardo es decir un material que permita una filtracioacuten vertical del agua muy lenta que alimente al acuifero principal en cuestioacuten a partir de un acuiacutefero o masa de agua situada encima o debajo del mismo

1 zona de recarga Nivel

ldquo7 I Acuiacutefero confinado rsquo 1 - rdquo - I

rdquo__ - _ldquo_rdquo I 7 - I rdquo_ rdquo_

Acuif~sros confinados y no confinados

Figura 42 diferentes tipos de acuiacuteferos (fuente Toddlsquo)

20

CAPiacuteTULO 5

MOVIMIENTO DE AGUAS

SUBTERRAacuteNEAS

Fuente allposterscom

Capiacutetulo 5

CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA

Entender el agua subterraacutenea es un tanto complicado y maacutes su movimiento para lo cual es conveniente estudiar su desplazamiento

51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea

El agua subterraacutenea se desplaza desde los niveles energeacuteticos maacutes altos a los bajos por lo que su energiacutea procede esencialmente de las diferencias de nivel y de presioacuten La energiacutea cineacutetica proporcional al cuadrado de la velocidad no se suele tomar en consideracioacuten debido a que las velocidades del agua subterraacuteneas son muy bajas En el curso de su percolacioacuten el agua experimenta una peacuterdida de energiacutea debida al rozamiento con superficies del medio granular a traveacutes del que circula Para el movimiento laminar en los acuiacuteferos arenosos o para la filtracioacuten a traveacutes de diques de tierra la por unidad de carga hidraacuteulica (hl-h2) perdida por unidad de longitud de la distancia recorrida (dL) o gradiente hidraacuteulico (i) proporciona la velocidad aparente del agua subterraacutenea Cuando la proporcionalidad entre el gradiente hidraacuteulico y la velocidad aparente del agua se expresa en teacuterminos matemaacuteticos se obtiene la ley lineal conocida con el nombre de ley de Darcy

52 Ley de Darcy

Darcy concluyoacute que en el movimiento a traveacutes de lechos de arena estratificados horizontalmente el caudal Q era inversamente proporcional a la longitud (dL) del camino recorrido y directamente proporcional a la peacuterdida de energiacutea (h - h2) y a un coeficiente de proporcionalidad K La ley de Darcy se puede expresar como sigue

Q = K A - h - hz Ec 51 dL

dh =-m = KAi Ec52

En donde

h = z + - + c Ec 53 P Y

Donde h representa la energiacutea por unidad de peso del fluido y en el caso del agua se llama el nivel piezomeacutetrico o potencial hidraacuteulico z es la elevacioacuten con respecto al plano de referencia arbitrario p es la presioacuten soportada por el fluido contenido en los poros del medio y es el peso especifico del fluido y c es

21

Capiacutetulo 5

una constante arbitraria Cuando es el fluido es agua el gradiente hidraacuteulico i como se definioacute es igual a dh dL

53 Movimiento radial estacionaria del agua hacia un pozo

a)Pozo en acuiacutefero confinado

El tema de movimiento de agua subterraacutenea hacia los pozos ha sido tratada ampliamente en algunos textos existentes de geohidrologiacutea o hidrogeologiacutea y ha sido profundamente analizado por algunos investigadores sin embargo y aunque no es el propoacutesito de este trabajo es conveniente saber como es el movimiento del agua hacia los pozos especialmente el movimiento radial

Se supone que el pozo considerado se bombea a caudal constante Q y que las condiciones en los limites son tales que la disminucioacuten del potencial piezomeacutetrico h tiene la misma distribucioacuten en cualquier seccioacuten vertical que contenga el eje del pozo Esto significa que el movimiento tiene simetriacutea radial (es decir que en coordenadas polares es independiente del aacutengulo formado con respecto con respecto a un plano de referencia horizontal)y que el potencial debe ser considerado a lo largo del periacutemetro de cada circulo conceacutentrico con el pozo

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero confinado es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

h - h = rsquo Ln rsquoldquoI Ec54 - 2rKb r

b) Pozo en acuiacutefero libre

La ecuacioacuten que rige el descenso del nivel freaacutetico en un acuiacutefero libre se deduce bajo condiciones similares a las del acuiacutefero confinado En este caso h mide la altura del nivel freaacutetico sobre el sustrato impermeable

La ecuacioacuten maacutes usadas par acuiacutefero libre es la de Thiem que ya integrada se expresa de la siguiente forma

En donde para ambas ecuaciones (54 y 55) K Q y hl - h2 son los mismos que en la ley de Darcy (Ec 51) y rl y 1-2 son las distancias respectivas a las que estaacuten situados los pozos de bombeo

22

Capiacutetulo 5

54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo

Sabemos que llegar a las condiciones del abatimiento de nivel piezomeacutetrico que se necesitan para aplicar las ecuaciones de Theis resulta la mayoriacutea de las veces antieconoacutemicas debido principalmente a los altos costos del bombeo Afortunadamente contamos con meacutetodos como el de Thies y Jacob para establecer el abatimiento del nivel piezomeacutetrico los cuales uacutenicamente se mencionaran sus ecuaciones debido a que este trabajo no tiene por objetivo principal profundizar en lo que se refiere a movimiento de agua subterraacutenea

a) Solucioacuten de Theis

Es un meacutetodo grafico de superposicioacuten de curvas logariacutetmicas con el cual se puede predecir el abatimiento de un pozo en cualquier tiempo despueacutes de haber iniciado la prueba de bombeo No se necesita esperar a que los niveles del pozo se hallan estabilizado para determinar la transmisividad y el coeficiente de almacenamiento

Para esto consideraron las siguientes hipoacutetesis

1) El acuiacutefero no recibe recarga 2) El acuiacutefero tiene permeabilidad uniforme tanto horizontal como

3) La formacioacuten acuiacutefera es de espesor constante 4) AI abatirse la superficie piezoacutemetrica del agua retirada del

almacenamiento es liberada instantaacuteneamente 5) El pozo de bombeo recibe agua del espesor saturado del acuiacutefero y

es totalmente penetrante

vertical

S = le- = W ( U ) Ec 56 4xT ~~ 47cT

En donde

S abatimiento medido de un pozo de observacioacuten en m

r S U=

4 Tt

S coeficiente de almacenamiento adimensional

T es la Transmisividad en ms

23

Capiacutetulo 5

r es distancia del pozo de bombeo al pozo de observacioacuten en m

t tiempo del bombeo en seg

W(u) es conocida como la funcioacuten de pozo y se calcula con la serie infinita faacutecilmente programable en computadora

U 2 U 3

22 3 3 W ( u ) = -O5762 - lnu +u - + + Ec57

Theis imagino un meacutetodo grafico de superposicioacuten representando en primer lugar W(U) en funcioacuten de u en papel logariacutetmico conocida como curva tipo preparada a partir de la tabla de la funcioacuten de pozo (Ec 57)

b) solucioacuten de Jacob

Para valores pequentildeos de u (us 001) decir para r pequentildeo y o t grande) en comparacioacuten con la serie de la Ec 57 se pueden despreciar los teacuterminos a partir del segundo quedando reducido a

230Q 225Tt S = log10 r S Ec 58

4zT

el coeficiente de transmisividad se obtiene con la formula

T = 083 Ec 59 As

Donde

As = pendiente de la recta (diierencia de abatimientos entre dos valores de tiempo cuya relacioacuten sea 10 en la escala logaritmica - ciclo logariacutetmico)

El coeficiente de almacenamiento lo obtenemos de la siguiente ecuacioacuten

S = - Ec 510 225Tt0

to =tiempo que corresponde a la interseccioacuten de la prolongacioacuten de la recta del grafico con el eje de abatimiento nulo en minutos en horas etc

Si el caudal de bombeo es constante T y S se mantienen fijos

24

Capiacutetulo 5

55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea

Existen varios meacutetodos para la exploracioacuten de agua subterraacutenea de los cuales solo se mencionaran de manera muy general algunos de estos meacutetodos

Meacutetodos de exploracioacuten de agua subterraacutenea

a) Meacutetodos geoloacutegicos

En la explotacioacuten de agua subterraacutenea pocas actividades resultan tan baratas como los reconocimientos geoloacutegicos En muchas regiones un geoacutelogo puede en menos de un diacutea obtener conclusiones hidrogeoloacutegicas previas acerca de un aacuterea de mas de 250 Km2 de extensioacuten

En la exploracioacuten el geoacutelogo se sirve de la petrografiacutea de la estractograacutefia de la geologiacutea estructural y de la geomorfologiacutea asiacute en menor grado de otras especialidades geoloacutegicas

Durante la perforacioacuten se construyen graficas llamadas registros geoloacutegicos que reportan las formaciones geoloacutegicas atravesadas basaacutendose en el material extraiacutedo durante la perforacioacuten Suelen reportarse tambieacuten los avances de perforacioacuten instalacioacuten y tipo de entubado asiacute como los incidentes durante ola perforacioacuten

b) Meacutetodos hidroloacutegicos

Los meacutetodos hidroloacutegicos de prospeccioacuten incluyen estudios acerca de la cantidad de agua uacutetil para recarga de la facilidad con que se produce la misma y de la localizacioacuten y valoracioacuten del volumen de agua que descarga en la superficie

c) Meacutetodos magneacuteticos

Las medidas de la variacioacuten del campo magneacutetico son probablemente la ejecucioacuten mas raacutepida entre todas las teacutecnicas geofiacutesicas Las componentes de intensidad magneacutetica seguacuten planos horizontales o verticales se miden mediante instrumentos compuestos por un sistema magneacutetico suspendido de un soporte o recientemente con aparatos que miden la interaccioacuten entre el spin nuclear y el campo magneacutetico natural

25

Capiacutetulo 5

d) Meacutetodos siacutesmicos

Son meacutetodos geofiacutesicos maacutes exactos y potencialmente mas uacutetiles A diferencia de los meacutetodos magneacuteticos los meacutetodos siacutesmicos no miden un campo natural de las fuerzas virtualmente estaacutetico sino la relacioacuten de las masas geoloacutegicas frente a las vibraciones inducidas artificialmente

e) Meacutefodos eleacutectricos

El meacutetodo geofiacutesico utilizado mas frecuentemente en la explotacioacuten de agua subterraacutenea es el meacutetodo eleacutectrico Los instrumentos son relativamente baratos y para trabajos de campo solo se necesitan dos o tres hombres Pueden medirse dos tipos de potencial eleacutectrico Uno potencial natural o espontaacuteneo el otro es el potencial inducido por el paso de una corriente eleacutectrica a traveacutes del suelo

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CAPIacuteTULO 6

FACTORES DETERMINANTES EN

EL DISENtildeO DE POZOS

Capiacutetulo 6

CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO DE POZOS

Como un inicio acertado debe quedar bien entendido que un pozo de agua subterraacutenea no es solamente un agujero con algunas aberturas por donde penetra el agua subterraacutenea maacutes bien una obra hidraacuteulica que debe proyectarse y construirse en forma teacutecnica y econoacutemica

Por otra parte se entiende como Disentildeo de Pozos a los procedimientos encaminados a determinar las dimensiones adecuadas de su estructura fiacutesica y la correcta eleccioacuten de los materiales lactibles durante su construccioacuten y terminado del pozo

En una forma un poco maacutes formal un pozo es una estructura hidraacuteulica que se caracteriza por su forma ciliacutendrica vertical destinada a captar el agua de las formaciones acuiacuteferas que bien disentildeadas y construidas permitan una extraccioacuten econoacutemica

Podriacutea parecer de un alto costo la inversioacuten inicial de un pozo bien proyectado y construido pero si lo comparamos con un pozo hecho liacutericamente a pesar de que su costo es relativamente bajo en la mayoriacutea de los casos este aparente ahorro resulta sumamente caro a la larga en la operacioacuten y mantenimiento asiacute como una deficiencia en funcionamiento y eficiencia

El pozo de agua es una obra muy particular pues no es posible su correcto disentildeo hasta que no se inicie la obra en otras palabras el disentildeo de un pozo requiere necesariamente de una perforacioacuten exploratoria en la cual se colecten muestras representativas de los estratos atravesados y en la que se realizara un registro eleacutectrico de potencial y resistividad que son herramientas esenciales para un buen disentildeo

61 Ventajas de un pozo bien disenado

a) Larga vida b) Caudal constante a traveacutes del tiempo siempre que no existan problemas

c) Agua libre de soacutelidos en suspensioacuten d) Conservacioacuten del equipo de bombeo

regionales que lo afecten

62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten

Por lo que respecta a las muestras provenientes del sondeo exploratorio lo normal en pozos de agua es colectar simplemente muestras de canal tomadas en el retorno del fluido de perforacioacuten en el caso de las perforaciones rotatorias y el material cuchareado en el caso de las de percusioacuten

27

Capiacutetulo 6

La practica usual consiste en colectar una muestra de cada dos metros perforados pero seria conveniente adicionarle muestras de cada cambio litoloacutegico sea cual fuera su posicioacuten

Las muestras deberaacuten ser lavadas y secadas antes de ser envasadas y en cada una de ellas se anotara el pozo e intervalo de donde provienen

El meacutetodo aconsejable para obtener una muestra representativa consiste en P Levantar la barrena unos centiacutemetros al llegar al punto de muestreo y

i Reiniciar la perforacioacuten colectaacutendose la primer muestra que retorne circular lodo hasta obtenerlo limpio del corte

Evidentemente este sistema de muestreo incrementa el costo de la perforacioacuten exploratoria pues implilca una parada cada dos metros lo cual en materiales blandos puede significar mas tiempo de espera en el avance de la perforacioacuten

Otro meacutetodo aunque menos confiable consiste en calcular la velocidad del lodo de retorno a la superficie a partir del caudal de la bomba y de aacuterea del retorno

- Qiodiacutel

Alodr Vf)dfI - Ec 61

y posteriormente a partir de dicha velocidad y la profundidad de donde proviene la muestra el tiempo de retorno del lodo

1

VgtldO

- ~i l ~l - Ec 62

Cuando la barrena se encuentre en el punto de profundidad 1 se dejara transcurrir un tiempo fRet para colectar la muestra

Independientemente del meacutetodo adoptado para el muestreo el siguiente paso seraacute la elaboracioacuten de la colurnna estratigraacutefica con una descripcioacuten lo maacutes amplia posible

Una vez elaborada dicha columna estratigraacutefica junto con el registro eleacutectrico se seleccionan los acuiacuteferos que se pretenden explotar Siendo este el primer paso del disentildeo del pozo

Una vez repasado algunos conceptos baacutesicos y principalmente despueacutes que se efectuacutea la perforacioacuten exploratoria registro eleacutectrico y algunos datos provenientes de la bitaacutecora de perforacioacuten como perdidas de fluido perforacioacuten etc ya se tendraacute una idea de la futura calidad futura del pozo y con esta idea y las necesidades de agua se procederaacute al proyecto definitivo quedando siempre un cierto margen de incertidumbre que no se despejara completamente hasta que finalice la obra y se proceda al aforo

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Capiacutetulo 6

63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geolOacutegiCaS a atravesar

7) Pozos en materiales no consolidados a) Desarrollo natural h) Desarrollo artificial

2) Pozos en materiales consolidados

Para los primeros tenemos que este tipo de pozos se alimentan por acuiacuteferos granulares de caraacutecter aluvial o glacial desarrollaacutendose zonas permeables alrededor del tubo del filtro

El disentildeo de zonas permeables alrededor del tubo del filtro se obtendraacute en forma natural o artificial la seleccioacuten del proceso dependeraacute exclusivamente de las condiciones que deban satisfacer los diferentes paraacutemetros de la curva granulomeacutetrica de las formaciones acuiacuteferas

El desarrollo natural al igual que el artificial se perfora en un diaacutemetro mayor al de las tuberiacuteas y por lo tanto el resultado desde el punto de vista hidraacuteulico es el mismo un incremento en el diaacutemetro efectivo del pozo

Para los pozos de desarrollo artificial la zona alrededor del tubo filtro se hace maacutes permeable retirando el material de la zona inmediata al tubo de filtro y reemplazando por otro maacutes grueso y graduado Este desarrollo se prefiere al natural

64 Proceso de Disentildeo de un Pozo

Un pozo consiste baacutesicamente en determinar dos elementos principales

1) Caacutemara de bombeo 2) Seccioacuten de admisioacuten (Caacutemara de produccioacuten)

Por lo que bajo este contexto se debe determinar y dimensionar los siguientes paraacutemetros

P Profundidad del lpozo k Diaacutemetro y material del ademe 7 Diaacutemetro material y abertura del cedazo (rejilla) i Ademaacutes de otros paraacutemetros como lo son tipo de filtro y su

proteccioacuten sanitaria que son determinantes para el mejor funcionamiento del pozo y la obtencioacuten del agua de buena calidad buena (bajas concentraciones de contaminantes) a niveles aceptables

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Capiacutetulo 6

65 Fases de la planeacioacuten

En el disentildeo de pozos de extracci6n de agua subterraacutenea tambieacuten se tiene la fase de planeacibn en la que se consideran todos los factores que directa 6 indirectamente afectaran adicha estructura

Entre los factores que merecen especial menci6n son el fin a que se destine el pozo el gasto de produccibn la profundidad y espesor de los acuiacuteferos y las caracteriacutesticas litol6gicas de los mismos

66 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos

Los principios bdsicos de disentildeo se aplican tanto a pozos en materiales consolidados como a materiales no consolidados En ambos casos y con el mismo criterio se determina la profundidad de los pozos y el o los diaacutemetros de la tuberiacutea de producci6n

67 Profundidad del pozo

la profundidad de los pozos depende de los siguientes factores

a) La profundidad a la que se encuentre la cima del ultimo acuiacutefero por aprovechar si existen varios

b) Del espesor del acuiacutefero si se justifica para que se justifique el gasto especifico alto y el mayor abatimiento posible que permita incrementar la produccioacuten es conveniente que el pozo atraviese completamente el acuiacutefero

c) De la calidad del agua que en algunos casos limitaraacute la profundidad d) Estratigrafiacutea obtenida de un sondeo exploratorio e) De la columna establecida de pozos cercanos f) De la propia perforaci6n exploratoria del pozo

68 Dihmetros de la tuberiacutea de proaiucci6n

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se disentildean generalmente con un sdlo didmetro pero en caso contrario resulta maacutes econoacutemico reducir el diaacutemetro unos metros maacutes abajo despues de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

30

Capiacutetulo 6

681 Cgmara de bombeo

Es la parte del pozo en la que se instala el cuerpo de impulsores(tazones)

La correcta seleccioacuten del dihmetro de la tuberiacutea de produccioacuten figura entre los factores que tienen una relacibn directa con el costo de la estructura Por este motivo y siempre que sea posible se analizaraacute la posibilidad de una cBmara de bombeo y una de produccioacuten

La longitud de la cBmara de bombeo se calcula media te la siguiente expresioacuten P

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Donde

Pne = Profundidad del nivel estBtico Ane = Abatimiento esperado del nivel estaacutetico durante la vida uacutetil del pozo Aq = Abatimiento probable en el interior del mismo provocado por el caudal de extraccibn esperado 30 = Longitud adicional que se agrega para la colocacibn de la pichancha la tuberiacutea de succioacuten y cuerpo de tazones con sumergencia miacutenima indispensable durante toda la vida uacutetil del pozo

La posicibn del nivel estBtico (Pne) se obtiene de la medicibn de este nivel en pozos cercanos o del plano mas reciente que represente la configuracibn de la profundidad del nivel estaacutetico del Brea

Para conocer el abatimiento probable del nivel esthtico (Ane) durante la vida uacutetil de un pozo (1 5 antildeos) se debe conocer el comportamiento general del comportamiento regional del acuiacutefero el cual se puede conocer por medio del plano que represente curvas de igual evolucibn del nivel estdtico A partir de los cuales se estiman los valores del abatimiento medio anual en las Breas seleccionadas para el emplazamiento de pozos

El valor obtenido se multiplica por la vida uacutetil del pozo que se consider de 15 antildeos

31

Capiacutetulo 6

Los pozos de agua poco profundos o con niveles de bombeo cercanos al fondo del pozo se diseflan generalmente con un solo dihmetro pero en caso contrario resulta maacutes econbmico reducir el diaacutemetro unos metros debajo de la profundidad a la que se pretenda colocar la bomba

La seleccidn de la chmara de bombeo depende de

a) Del gasto de produccibn y por lo tanto del dihmetro nominal del tazoacuten de

b) Del amprea hidrhulica de la ampmara de bombeo que garantice la mejor la bomba de turbina vertical mhs eficiente por instalar

eficiencia hidrhulica

Un criterio bastante acertado para la seleccioacuten del dihmetro de la chmara de bombeo consiste en escoger un diaacutemetro nominal (medido en pulgadas) dos pulgadas mayor que el que supone va a requerir la bomba del pozo

A manera de ejemplo se puede suponer que se espera utilizar una bomba de 14rdquo (3556 cm) de dihmetro e3 conveniente seleccionar un diaacutemetro para la ampmara de bombeo de 16rdquo( 4572 cm) El miacutenimo diaacutemetro que debera permitirse serh el que permita una holgura de 2rdquo alrededor del tazbn de la bomba como en el caso de este ejemplo

La holgura de 2rdquo pulgadas permite que la bomba de turbina entre libremente en el pozo con su eje vertical y sin curvas a un cuando la verticalidad del pozo no sea perfecta ademaacutes esta holgura permitir6 reducir las perdidas por friccibn al miacutenimo

Se debe considerar tuberiacutea ciega y cementada por lo menos del tramo superior del pozo hasta la profundidad a la que se espera el nivel dinhmico

Con la siguiente expresibn dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Q (Ips) = Dt ( Ir ) Ec 64

Para el dihmetro de la chmara de bombeo

Dc = Dt 4- (4rdquo a 6rdquo) Ec 65

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se obtiene de la siguiente manera

Dp = Oc + 6rdquo Ec 66

32

Capiacutetulo 6

682 Porcioacuten filtrante

Las aberturas de las ranuras del cedazo estaacuten determinadas por la granulometriacutea del filtro de grava de los acuiacuteferos

El diaacutemetro de la porcioacuten filtrante debe seleccionarse soacutelo en funcioacuten de la velocidad de la entrada del agua al pozo

Donde

Vp = velocidad de entrada del agua al pozo Q = caudal o gasto esperado Aa = aacuterea libre de entrada del caudal

Se ha comprobado en forma praacutectica y experimentalmente que si la velocidad de entrada del agua al pozo no rebasa los 3 cmseg se obtienen las siguientes ventajas

1) Las peacuterdidas por fricci6n al penetrar el agua al pozo se reducen al

2) Esta baja velocidad no provoca o disminuye considerablemente el

3) S e reducen apreciablemerlte los fenbmenos de incrustacioacuten y corrosioacuten

miacutenimo

arrastre de finos hacia el pozo

Durante la perforacioacuten exploratoria del pozo se tienen indicios de la futura calidad del agua ademaacutes de la observacioacuten de las muestras el registro el6ctrico y la experiencia previa en la regioacuten Estos datos debidamente aquilatados nos permiten suponer con cierta aproxirnacibn el caudal que se puede esperar en la explotacioacuten si bien es este junto con la localizacioacuten el factor de riesgo que siempre implica este tipo de obras

Para deducir el abatimiento provocado por la propia operaci6n del pozo (Aq) se divide el caudal o gasto esperado (Q) entre el caudal o gasto especifico utilizando la siguiente expresioacuten

Aq =- e Ec 68 Qe

Para el aacuterea abierto del cedazo(Aa) se utiliza la siguiente expresioacuten donde Vp es igual a 5 cms seguacuten investigaciones recientes

33

Capiacutetulo 6

Entonces el aacuterea abierta por unidad de longitud(Au) esta dada por

Aa LC

AU - Ec 69

En la que la longitud del cedazo(Lc) se fija atendiendo al espesor de los acuiacuteferos

Bastante maacutes simple es el disefiacuteo de los pozos construidos para captar rocas consolidadas fracturadas con10 los derrames basaacutelticos que se encuentran en algunas porciones del valle de hl6xico Por lo que se puede dejar el pozo sin entubar aunque en todo caso es conveniente instalar un contra - ademe cementado para la proteccioacuten sanitaria de la captacioacuten Todos los demhs pasos siguen el mismo criterio de diseno con la uacutenica restriccioacuten en cuanto a la velocidad de entrada

69 Algunos errores comunes en el diseno de pozos

a) Para incrementarrsquo el caudalIse debe colocar cedazo en todo el espesor del acuiacutefero

Esto solo es valido en el caso de acuiacuteferos artesianos En el caso de los acuiacuteferos solo mejora la capacidad especifica con lo que disminuye el gradiente y por lo tanto el caudal Recordando que el mayor caudal se obtiene al colocar el cedazo en la parte inferior del acuiacutefero

AI incrementar el dihmetro de un pozo se incrementa proporcionalmente el caudal

gt Esta creencia aunque muy difundida es falsa gt El caudal en un acuiacutefero freaacutetico soacutelo aumenta un 10 al duplicar el

gt Existe flujo vertical considerable a traveacutes de los empaques del filtro diaacutemetro del pozo lo que resulta antieconoacutemico

granular

34

CAPiacuteTULO 7

ADEME

Capiacutetulo 7

CAPITULO 7 ADEME

71 Eleccioacuten del diaacutemetro

Determinar el diaacutemetro del ademe apropiado es de suma importancia ya que esto tiene repercusiones en el costo de la estructura del pozo y en el uso del equipo de perforacioacuten

Para una correcta eleccioacuten del diaacutemetro del ademe se deben satisfacer 2 necesidades principales

P Que exista un espacio suficiente para el alojamiento de la bomba ademaacutes de un espacio libre que permita su instalacioacuten y mantenimiento

P El diaacutemetro del ademe debe presentar espacio libre que garantice la buena eficiencia hidraacuteulica del aprovechamiento en operacioacuten

El diaacutemetro se determina de acuerdo al tamantildeo de la bomba por utilizar que estaraacute en funcioacuten del gasto y potencia requerida De manera general se recomienda que el diaacutemetro del ademe sea 2 pulgadas mayor que el diaacutemetro nominal de la bomba requerida y en casos extremos cuando menos una pulgada

A continuacioacuten se muestra en la tabla 71 algunas recomendaciones para determinar el diaacutemetro del ademe en funcioacuten del gasto que se espera

72 Espesor del ademe

El espesor del ademe es muy importante en el disentildeo de un pozo ya que una de sus principales funciones es la de evitar zonas factibles de derrumbes o colapso que perjudican severamente la estructura de un pozo

El espesor depende de

I) Condiciones del terreno Zonas problemaacuteticas Principalmente en sedimentos no consolidados Se requiere identificar los estratos problemaacuteticos e incrementar el espesor del tubo en los mismos

2) Tipos de suelos Con frecuencia presentan estos problemas las arcillas blandas y suelos colapsables

35

Capiacutetulo 7

El diaacutemetro exterior del ademe se presenta por lo general con dimensiones estandarizadas mientras que el diaacutemetro interno se encuentra en funcioacuten de la pared del tubo del ademe

Tabla 71 Diaacutemetro del ademe en funcioacuten al gasto esperado

I DIAacuteMETRO DEL ADEME DIAacuteMETRO DEL DIAacuteMETRO DEL

DE TAZONES DE

mm(pug) mm(pulg) LA BOMBA (mm) MEDIDA MINIMA MEDIDA OPTIMA

MENOS DE 6

406 DI (1 6) 508 DI (20) 356 75 a 190

356 DI (1 4) 406 DI (16) 305 50 a 115

305 DI (1 2) 356 DI (1 4) 254 30 a 60

254 DI (1 O) 305 DI (12) 203 20 a 44

203 DI (8) 254 DI (1 O) 152 10 a 2

152 DI (6) 203 DI (8) 127 5 a 11 127 DI (5) 152 DI (6) 102

125 a 240 406 610 DI (24) 508 DI (20)

190 a 380 508 762 DI (30) 610 DI (24)

Referencia CNA(O)

Tabla 72 Descarga maacutexima a partir del diaacutemetro

MEDIDA DEL ADEME DESCARGA MAXIMA pulg (IPS)

102

41 8 24 59 1 286 20 489 230 18 439 180 16 387 136 14 337 111 12 305 78 10 254 49 r3 203 28 6 152 20 j 127 13 4

Referencia CNA

36

Capiacutetulo 7

73 Materiales del ademe

El espesor del tubo aumenta por Io general al aumentar el diaacutemetro sin embarga esto no necesariamente se cumple ya que en el mercado existen gran variedades de espesores de tubos que van desde acero inoxidable hasta tubos de pvc y fluoropoliacutemeros

En la construccioacuten de ademes se emplean materiales que deben cumplir ciertas caracteriacutesticas que van de acuerdo con los esfuerzos a los que son sometidos al instalarse y en su uso posterior

El tipo de material a usar tambieacuten se basa en la experiencia histoacuterica sobre el uso de materiales y otros factores tales como durabilidad y resistencia

Tomando en cuenta las caracteriacutesticas del tipo de acuiacutefero a explotar se deberaacuten considerar los siguientes aspectos

a) Marco geoloacutegico b) Geoquiacutemica del acuiacutefero c) Profundidad del pozo d) Tipos y concentraciones de contaminantes en suspensioacuten e) Disentildeo de pozo 9 Tipo de perforaciljn del pozo y meacutetodo de instalacioacuten

h) Disponibilidad de materiales g) costo

Ademaacutes de las caracteriacutesticas antes mocionadas se tomaraacuten en cuenta caracteriacutesticas que influiraacuten directamente en el desempentildeo del pozo como lo es la resistencia a los esfuerzos ( tensioacuten compresioacuten y colapso) y resistencia a la influencia quiacutemica (corrosioacuten e incrustacioacuten)

74 Resistencia a los esfuerzos

Los ademes deben de ser resistentes a los esfuerzos ejercidos durante la instalacioacuten y por los sedimentos que le rodean estos pueden clasificarse en tres tipos Tensioacuten Compresioacuten y de colapso Si se presentan dichos problemas la solucioacuten factible es incrementar el espesor en el tubo de ademe

37

Capiacutetulo 7

75 Resistencia quiacutemica

Todos los materiales empleados deben de cumplir con las siguientes caracteriacutesticas

i Alta durabilidad i Resistencia a la corrosioacuten i Resistentes a la degradacioacuten quiacutemica

Existe una gran variedad y diversidad de los materiales empleados para la fabricacioacuten de los ademes los cuales se dividen en tres categoriacuteas

a) Fluoropoliacutemeros

)i Politetrafluorotieno gt Tetrafluorotileno k Fluoruoronato Etileno Propileno h Fluorinato Polivinil )i Perfluoroalkoxy

Estos Fluoropoliacutemeros son derivados de los monoacutemeros presentan condiciones de alta resistencia al ataque quiacutemico y bioloacutegico la oxidacioacuten intemperismo y radiaciones ultravioleta Son usados bajo condiciones de alta temperatura en intervalos que sobrepasan los 29OoC y con un bajo coeficiente de friccioacuten (tabla 73)

Tabla 73 Empresas que manufacturan ademes en Fluoropoliacutemeros

FLUOROPOLiMERO

(PTFE) Politetrafluorotileno

(FEP) Fluorinato- Etileno-Propileno

(PFA) Perfluroalkox

(PVDF) Polivinyir (CTFE)

Clorotrifluorotileno

NOMBRE COMERCIAL FABRICANTE Tefloacuten DuPont Haloacuten ALLIED Fluoacuten IC1

Hostafloacuten HOECHS Polyfloacuten DAlKlN Algofloacuten Montedison Sorofloacuten UGINE KUHLMAN Neofloacuten DA1 KI N Tefloacuten DuPont

Neofloacuten DAlKlN Tefloacuten DuPont

PENNWALT Kel - F Diafloacuten DA1 KIN

Referencia CNAlsquorsquordquorsquo

PAiacuteS DE ORIGEN USA Japoacuten Holanda

USA USA

Alemania Japoacuten Italia

Francia Japoacuten

USA Holanda Japoacuten Japoacuten

USA Holanda Japoacuten USA USA

Japoacuten

38

Capiacutetulo 7

b) Materiales metaacutelicos

gt Acero inoxidable 9 Acero sanitario k Acero galvanizado

Estos materiales presentan caracteriacutesticas de alta resistencia a los esfuerzos ejercidos sobre estos resistentes a la temperatura mucho maacutes que los Fluoropoliacutemeros y los termoplaacutesticos

Las desventajas maacutes comunes de estos tipos de materiales radican en su resistencia a la corrosioacuten Cuando se encuentran expuestos durante largo tiempo por debajo de la superficie y en contacto con el agua subterraacutenea son faacutecilmente atacados por los agentes corrosivos limitando de esta manera su funcionamiento y eficiencia del pclzo a lo largo del tiempo

c) Materiales termolplaacutesticos

i Cloruro - IPolivinil (pvc) gt Acrilonitril - Butalience - Esfreno

Estos materiales son fabricados a partir de derivados orgaacutenicos Este tipo de materiales son mas deacutebiles menos riacutegidos y maacutes sensibles a la temperatura en comparacioacuten con los materiales metaacutelicos sin embargo son lo suficientemente resistentes para las condiciones necesarias durante su instalacioacuten y ya en operacioacuten de ~ O Z O S para extraccioacuten de agua subterraacutenea

Las ventajas de estos materiales son

k Ofrece una completa resistencia a la corrosioacuten eleacutectrica y

k No requiere proteccioacuten contra aguas de composicioacuten quiacutemica

i Su costo es reducido en su instalacioacuten asiacute como su traslado k Alta resistencia EI la abrasioacuten I Alta flexibilidad y faacutecil acoplamiento durante su instalacioacuten

electroquiacutemica

variable

39

CAPiacuteTULO 8

REJILLA

Capiacutetulo 9

CAPITULO 8 REJILLA

A menudo se denomina a la rejilla el toque final del pozo para enfatizar la importancia que tiene como estructura hidraacuteulica en el comportamiento eficiente del mismo

Una rejilla de un pozo sirve como seccioacuten de captacioacuten que toma el agua de un acuiacutefero de material no consolidado tal como la arena La rejilla permite que el agua fluya libremente hacia el pozo desde la formacioacuten saturada evitando que la arena penetre y ademaacutes funciona como un retenedor estructural que estabiliza el agujero dentro del material no consolidado

El disentildeo de la rejilla debe ser eficiente Una rejilla se considera adecuada cuando es capaz de permitir el paso del agua en cantidades abundantes libre de arena al pozo y con miacutenimo de perdida de carga

A menudo se ignoran las rejillas de un pozo y las caracteriacutesticas ventajosas de su disentildeo En su lugar y en ciertas circunstancias se emplean sustitutos improvisados El tubo ranurado es uno de ellos

81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas

Las caracteriacutesticas principales que debe cumplir una rejilla de un pozo son las siguientes

agt Aberturas formadas (en hileras alrededor de la circunferencia de la rejilla continuas alrededor e interrumpidas alrededor de la circunferencia de la rejilla

maacuteximo porcentaje del aacuterea de entrada

interior del pozo

galvanizada

metales

resistencia

debe estar sometida durante y despueacutes de su instalacioacuten

b) Poca separacioacuten entre las ranuras abiertas para proveer el

cgt Aberturas ranuradas en forma de V que se ensanchan hacia el

d) Construccioacuten a base de un solo metal para evitar la corrosioacuten

egt Adaptabilidad a distintas condiciones mediante el uso de diversos

9 Maacutexima aacuterea abierta en correspondencia con una adecuada

9) Amplia resistencia para soportar las fuerzas a las que la rejilla

40

Capiacutetulo 9

82 Anaacutelisis granulomeacutetrico para ell disentildeo de rejillas

Dicho anaacutelisis se realiza mediante la utilizacioacuten de un juego de tamices por donde se hace pasar una cantidad determinada de sedimentos obtenieacutendose asiacute la clasificacioacuten y cantidad correspondiente de estos materiales posteriormente con la representacioacuten grafica(curva acumulativa) de estos resultados se define el material predominante el cual establece a su vez el tamantildeo de la abertura del cedazo

Para pozos formados de manera natural las aberturas del cedazo deben seleccionarse de acuerdo a los siguientes criterios

Cuando el coeficiente de- uniformidad es mayor que 6 la medida de apertura del cedazo debe tener de un 30 a 40 del material de la formacioacuten Cuando el coeficiente de uniformidad es menor que 6 la apertura del cedazo debe ser tal que contenga entre el 40 y 50 del material del acuiacutefero Si el agua proveniente del acuiacutefero es corrosiva o no se conoce su composicioacuten es recomendable que el tamantildeo de abertura considere un 10 YO adicional a lo indicado anteriormente Donde estrato productor de la formacioacuten presente materiales de diferentes medidas y graduaciones y cuando el 50 de los granos sea de tamantildeo grueso y el otro 50 sean sedimentos finos la medida de la ranura se seleccionaraacute con base en la granulometriacutea del estrato fino o en su defecto se escogeraacuten intervalos o secciones de diferentes medidas en la zona productora

Figura 81 Eleccioacuten de la abertura del cedazo con base a la granulometriacutea

- -

COEF DE UNIFORMIDAD

z RECOMENDACIONES DE E L4ABERTURA DEL TPMIZ r = 060 PULG

ABERTCIRP DE D RANIIR4i MEUIDP CJEL IGRANU [MILESIMP DE pdg]

fuente CNA )

41

Capiacutetulo 9

Cuando se encuentre un estrato de arena fina sobre un estrato de arena gruesa empleadas para material fino se deberaacute en profundidad y traslape con el material grueso en una distancia cle por lo menos 060 m El tamantildeo de la abertura para arena gruesa no debe ser mas grande del doble del tamantildeo de abertura para arena fina

Para pozos en los que se deba colocar filtro granular las aberturas del cedazo deben estar entre 85 y 100 del material fino contenido en la grava Aunque en teacuterminos generales se prefiere que esta abertura sea de 90 YO tal y como se muestra en la figura 82

83 Tipo de rejilla

La eficiencia hidraacuteulica de un pozo depende baacutesicamente del aacuterea de apertura de la rejilla de tal forma que entre mayor sea el aacuterea de entrada permita fluir el agua del acuiacutefero hacia el interior del pozo con mayor facilidad

La cantidad de aacuterea de filtracioacuten se encuentra en funcioacuten del diaacutemetro y

En el mercado existe una gran variedad de cedazos que presentan tamantildeo de las aperturas

diferentes tipos de ranuras entre las que destacan los siguientes

1 ) Tipo persiana Fabricado en metales soacutelidos el nuacutemero y medida de abertura depende de cada fabricante En ademes de este tipo el aacuterea de filtracioacuten es limitada 2) Tipo puente o de canastilla Presenta una aacuterea mayor de filtracioacuten disminuye las perdidas por friccioacuten fabricado en materiales metaacutelicos y se encuentra en el mercado a un bajo costo 3) Ranura mecaacutenico Se encuentra en medidas estaacutendar en donde la ranura puede estar localizada tanto horizontal como verticalmente fabricado en los siguientes materiales termoplaacutesticos fluoropoliacutemeros y fibra de vidrio en el mercado se encuentran con diaacutemetros de 314 a 16 pulgadas 4) Ranura continua o alambre El alambre que determina el espaciamiento de las aberturas de la ranura puede ser triangular en espiral o circular fabricado en bronce termoplaacutesticos PVC acero inoxidable galvanizado y alta calidad se construye con alambre en espiral enrollada alrededor de un armazoacuten de varillas longitudinales Es de los ademes ranurados con mayor aacuterea hidraacuteulica posible y con condiciones de flujo uniforme

42

Capiacutetulo 9

Figura 82 Algunos tipos de rejilla que destacan en el mercado

84 Longitud de la rejilla

La longitud oacuteptima de la rejilla se debe escoger con relacioacuten a a) Espesor del acuiacutefero b) Abatimiento del nivel freaacutetico 6 piezomeacutetrico c) Estratificacioacuten varias formaciones permeables

Estas reglas se pueden aplicar a cuatro situaciones diferentes

1) Acuifero confinado (artesiano) homogeacuteneo

Para este tipo de acuiferos e deberaacute tomar en cuenta las siguiente

P La rejilla deberaacute abarcar de un 70 a un 80 del espesor del material del acuiacutefero suponiendo que el agua no descienda del techo

P Si el acuiacutefero tiene menos de ocho metros de espesor es suficiente con poner la rejilla al 70 Si el espesor esta entre 8 y 15 metros deberaacute colocarse la rejilla al 75 y si es mayor de 15 metros la rejilla deberaacute colocarse al 80 YO

gt Los mejores resultados se obtienen al centrar la rejilla en el acuiacutefero o dividiendo en tramos de longitud intercalados con secciones de tuberiacutea de ademe ciego

consideraciones

Capiacutetulo 9

Las longitudes indicadas por esta regla haraacuten posible el captar alrededor del 90 o maacutes de la capacidad especifica que podriacutea tener el poner la rejilla en todo el pozo

2) Acuiacutefero confinado heterogeacuteneo

En este tipo lo mejor es poner la rejilla en la regioacuten mas permeable que

a) Se realizan pruebas de permeabilidad de las muestras que representen los estratos respectivos de la formacioacuten Para calcular la permeabilidad se realizan mediciones del aacuterea de la seccioacuten transversal a traveacutes de la cual tiene lugar el flujo del caudal y la perdida de carga correspondiente

b) Se realizan anAlisis granulomeacutetricos de aquellas muestras que representan los correspondientes estratos de la formacioacuten

7 Si las pendientes de las curvas granulomeacutetricas son casi iguales a la permeabilidad relativa pueden estimarse comparando los cuadros de los tamantildeos efectivos de las muestras

gt Una arena que contenga tamantildeo efectivo de 0203 mm tendraacute alrededor de 4 veces maacutes permeabilidad que otra cuyo tamantildeo efectivo sea de O 102 mm

gt En el caso de qlue todas las muestras tengan alrededor del mismo tamantildeo efectivo aquellas curvas con las pendientes mas empinadas indicaraacuten por lo general los materiales maacutes permeables

c) Se hace una inspeccioacuten visual y una comparacioacuten de los materiales que representan a cada estrato La permeabilidad relativa de cada uno se estima mediante una apreciacioacuten de la bastedad y limpieza (ausencia de limo y arcilla) del material

puede determinarse mediante una o mas de las siguientes teacutecnicas

3) Acuiacutefero libre (freaacutetico o no confinado) homogeacuteneo

Tanto la teoriacutea como la experiencia han demostrado que al poner la rejilla al tercio inferior del acuiacutefero se obtiene el mejor disentildeo para esta condicioacuten sin embargo se pueden tomar las siguientes consideraciones

a) En algunos casos se puede poner la rejilla a la mitad inferior de

b) El disentildear rejillas para este tipo de pozos presenta dos alternativas acuiacutefero para obtener la mayor capacidad especiacutefica

+ al usar rejillas maacutes grandes se reduce la convergencia del flujo y la velocidad de acceso obteniendo en consecuencia una mayor capacidad especifica

44

Capiacutetulo 9

Por otro lado si se utiliza la mayor longitud posible de la rejilla se encuentra entonces un mayor abatimiento disponible

4) Acuiacutefero libre (freaacutetico) heterogeacuteneo

Para este tipo de acuiacuteferos se aplican los mismos principios de disentildeo de los acuiacuteferos heterogeacuteneos La uacutenica variacioacuten en el caso de un acuiacutefero freaacutetico es la posicioacuten de la rejilla o tramos de esta que eacutesta vez deben colocarse en intervalos inferiores mas permeables para disponer asiacute del maacuteximo abatimiento

85 Abertura de la rejilla

La base para seleccionar la abertura de las ranuras de la rejilla es la curva

851 Pozos de desarrollo natural

En formaciones homogeacuteneas

Se seleccionaraacute un tamantilde

granulomeacutetrica acumulativa de las muestras

le ret 8 0 tal qu enga del 40 al 50 del material muestreado Se seleccionaraacute el 40 YO si las aguas no son corrosivas y 50 O h en el caso de que lo sean En el segundo caso se procede de esta manera con el fin de prever el agrandamiento por corrosiljn y para evitar un posible paso de arena al pozo Tambieacuten se usa el 50 YO en caso de tener duda sobre la calidad de las muestras

En formacioacuten no homogeacutenea

Por ser el caso maacutes frecuente encontrado en la naturaleza y esta constituida por una alternancia de capas de distinta granulometriacutea por lo que desde el punto de vista teacutecnico es mejor tratar a cada estrato en forma independiente y disentildear un filtro de ranuras muacuteltiples pero esto en la praacutectica frecuentemente no es posible debida a la dificultad en disponer de un corto tiempo de cedazos de diferentes ranuras

45

Capiacutetulo 9

A continuacioacuten se presentan las curvas granulomeacutetricas para formaciones homogeacuteneas y no homogeacuteneas (figuras 83 y 84)

figura 83 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de areas finas y gruesas

I Aber tu ra del tubo f i l t r o en mrn

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la ConstruccioacutenL

figura 84 aberturas del tubo filtro en formaciones homogeacuteneas de arenas y gravas gruesas

I i I I-- -A- - I ~ amp - - I )r 4 -

I I 3

c ) I o 5 I o 3 o 5 Abertura del tubo filtro en mm

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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Capiacutetulo 9

852 Pozos con filtro artificial

Difieren de los de desarrollo natural en el hecho de que en ellos se coloca un filtro granular entre el acuiacutefero y el cedazo en lugar de formar un filtro natural en el propio acuiacutefero mediante un proceso de desarrollo

Estos con muchas ventajas san los maacutes comunes en Meacutexico y por lo tanto merecen ser tratados por separado

Como se mencionoacute con anterioridad cada seccioacuten de rejilla debe contener aberturas tales que se ajusten al material de cada estrato individual sin embargo al escoger las aberturas de la rejilla de diversas ranuras conviene aplicar dos reglas adicionales que son las siguientes

Si el material fino descansa sobre el material grueso se debe extender la rejilla que tiene su abertura disentildeada para el material fino por lo menos 090 m dentro del material grueso que se halle por debajo

Si el material fino descansa sobre un material grueso el tamantildeo de la ranura del tramo de la rejilla que va instalarse en el estrato de granulometriacutea gruesa no deberaacute ser mayor que el doble de la abertura de la ranura que se emplee para el material fino El doble de la abertura de la ranura deberaacute colocarse en la rejilla cuando se incremente de 060 o mas

La aplicacioacuten de estas dos reglas reduce la posibilidad de que el pozo pueda bombear arena en el caso de que la profundidad de la parte superior y la de fondo de cada estrato diferente no hayan sido determinadas con exactitud Las guiacuteas para escoger el tamantildeo de la ranura indican que alrededor del 60 O h del material de la formacioacuten pasa a traveacutes de la rejilla durante el proceso de desarrollo

El disentildeador de pozos deberi siempre disentildear la rejilla para que eacuteSta se ajuste a las condiciones acuiacuteferas del pozo ya que no implica ninguacuten costo adicional el empleo de una rejilla de lnuacuteltiples tamantildeos de aberturas Si se utilizan las aberturas apropiadas para que se ajusten a cada estrato se obtendraacute la maacutexima capacidad especifica posible y se reduciraacuten gradualmente las posibilidades de invasioacuten de arena al bombear el pozo

86 Diaacutemetro de la rejilla

El diaacutemetro de la rejilla se disentildea con un propoacutesito baacutesico y que consiste de proveer suficiente aacuterea de entrada para que la velocidad de acceso de entrada del agua al pozo no exceda cierto valor estipulado

47

Capiacutetulo 9

Las pruebas de laboratorio y la experiencia de campo indican que la velocidad de entrada a traveacutes de la rejilla deberaacute ser de un valor igual o menor a 3 cms obteniendo los siguientes resul1ados

0 Las perdidas por friccioacuten de las aberturas de las rejillas seraacuten de un valor

La velocidad de incrustacioacuten seraacute miacutenima La velocidad de corrosioacuten seraacute tambieacuten miacutenima

despreciable

Por otra parte si la velocidad resulta ser menor por ejemplo de 14 cms se podraacute entonces reducir el diaacutemetro de la rejilla en cierta proporcioacuten El diaacutemetro de la rejilla deberaacute ser tan grande corno se pueda para mantener el valor de la velocidad de entrada por debajo del valor limite de 3cms

En otras palabras para un buen disentildeo del diaacutemetro de la rejilla se recomienda minimizar

a) Perdidas por friccioacuten a traveacutes de las ranuras b) La probabilidad de arrastre de arenas finas c) El efecto de corrosioacuten y de incrustacioacuten en las aguas

Por lo que la velocidad se buscaraacute en funcioacuten del gasto esperado

Ahora bien como la velocidad es directamente proporcional al diaacutemetro eacuteste se podraacute aumentar o disminuir hasta que la velocidad se ajuste al valor de 3 cms En la figura 85 se observa c8mo cambia la abertura en funcioacuten del aacuterea

figura 85 Tubo filtro tipo rejilla

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Capiacutetulo 9

87 Seleccioacuten del material de la rejillla

Hay tres aspectos que gobierna la eleccioacuten del metal con el cual se va a fabricar la rejilla Estos son los siguientes

P Contenido mineral del agua P Presencia de jaleas bacterianas lsquo3 Requisitos de resistencia de la rejilla

El contenido mineral del agua subterraacutenea se obtiene mediante anaacutelisis quiacutemico El estudio de anaacutelisis revela por lo general si el agua del subsuelo es corrosiva o incrustante En algunos casos el agua puede causar tanta corrosioacuten como incrustacioacuten

88 Resistencia de la rejilla

La eleccioacuten del metal de la rejilla queda muchas veces condicionada a la resistencia de la misma Las dos fuerzas impuestas a la rejilla que se consideran importantes son la carga de columna y la presioacuten que le hariacutea sufrir el colapso Se deben considerar tanto requisitos estructurales como de calidad de agua

Tabla 81 algunos de los metales maacutes comunes de las rejillas y sus posibles aplicaciones

Metal Alineacioacuten MONEL

ACERO INOXIDABLE

EVERDUR

BRONCE ROJO AL SILICIO

HIERRO ARMCO

ACERO

f

COMPOSICION Aplicaciones sugeridas Costo Nominal

no se necesita por lo general para agua 15 70 niacutequel Relativo

hierro Extremadamente resistente a los 1 Silicio ausencia de oxigeno disuelto Alto contenido de 3 YO zinc Alta dureza total Alto cloruro de sodio en 10 96 cobre resistencia 8 niacutequel de carbono Bacteria ferrosa Excelente 18 cromo Sulfuro de hidroacutegeno Oxigeno disuelto Dioacutexido 10 74 acero subterraacutenea potable 30 cobre

83 cobre 09 Usado para las mismas condiciones que el 16 zinc Everdur pero inferior y no tan resistente Se 1 YO manganeso utiliza en agua muy activas

9984 hierro 06 No resistente a la corrosioacuten actuacutea puro (doblemente satisfactoriamente en ciertas Breas Se utiliza en galvanizado pozos para riego en donde las aguas son

tratamientos con aacutecido

I relativamente neutras 99359972 I 05 I No resistente a la corrosioacuten Por lo general se

usa en pozos no permeables tales como los de 009015 carbono prueba o pozos para desecacioacuten En algunos 020050 lugares de los Estados Unidos alcanza una vida manganeso uacutetil satisfactoria especialmente si las aguas no

son corrosivas ni incrustantes Iferencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten

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CAPiacuteTULO 9

FILTRO

GRANULAR

Capiacutetulo 9

CAPITULO 9 FILTRO GRANULAR

Existen varios criterios para disentildear el empaque de grava pero todos ellos se basan en la curva granulomeacutetrica por lo que dependeraacute en buena medida de la calidad de las muestras que se obtengan en la perforacioacuten exploratoria

Una vez establecida la existencia de uno o maacutes acuiacuteferos se tomaraacuten las muestras representativas de los distintos estratos que lo constituye elaborando a cada uno su curva granulomeacutetrica a partir de ellas se determinaraacute cuaacutel es el estrato cuyos graacutenulos presenten mayor riesgo de penetrar al pozo

Mediante la correcta eleccioacuten disentildeo e instalacioacuten de filtros de grava en la zona que rodea inmediatamente el tubo de ademe se obtiene una mayor permeabilidad y una mejor eficiencia hidraacuteulica del pozo asiacute como una buena estabilizacioacuten de los materiales del acuiacutefero

En aprovechamientos equipados sin este aditamento uacutenicamente con la rejilla del ademe logra retener aproximadamente el 40 del material del acuiacutefero Y el porcentaje restante se filtra al interior de un tubo La funcioacuten principal de los filtros es la de impedir el paso de partiacuteculas Lograacutendose de esta manera un mejor funcionamiento del pozo La mayor parte de los filtros comerciales tienen un coeficiente de uniformidad aproximadamente de 2 aunque algunos presentan valores de 4 o 5 en los que se obtiene buenos resultados

91 Tipos de filtros

Las condiciones geoloacutegicas die los aprovechamientos hidraacuteulicos pueden inducir a la utilizacioacuten de filtros a continuacioacuten se presentan algunos de ellos

lsquor Arena fina uniforme

En pozos que extraen agua en arenas de granulometriacutea fina se recomienda la utilizacioacuten de filtros de grava con el fin primordial de incrementar el tamantildeo de abertura de la rejilla aumentando de esta manera la eficiencia del pozo

9 Arenas semiconsolidadas

El principal problema en estas excelentes acuiacuteferos es el riesgo que se tiene al colapso de las paredes de] pozo Mediante un buen disentildeo y utilizacioacuten de filtros de grava se preveacute en gran medida el peligro de derrumbes y por otro lado se incrementa el apoyo lateral del ademe con las paredes de la perforacioacuten

50

Capiacutetulo 9

gt Material estratificado

Cuando se tiene una intercalacioacuten de los materiales finos con sedimentos de granulometriacutea mas gruesa se dificulta determinar el espesor y posicioacuten de los estratos y en consecuencia es difiacutecil establecer el tamantildeo y posicioacuten de la seccioacuten ranurada Se recomienda en forma general introduccioacuten de filtros de grava el tamantildeo de las gravas se determinaraacute en funcioacuten del estrato maacutes fino que se presente en el intervalo productor

ii Roca muy fracturada

Con la correcta instalacioacuten de filtros de grava se logra la estabilizacioacuten de los materiales con apoyo de ademe y cedazo del pozo

92 Disentildeo de filtros

Los aspectos importantes que se deben considerar para el disentildeo de filtros son los siguientes

ii Tamantildeo del grano del filtro P Espesor del filtro P Longitud total de la seccioacuten ranurada gt Tamantildeo de abertura de la ranura

93 Tamantildeo del grano del filtro

La eleccioacuten del tamantildeo del grano del filtro de grava asiacute como la apertura del cedazo estaacuten en funcioacuten de la granuiometriacutea del acuiacutefero en su parte mas fina

Para elegir adecuadamente el tamantildeo del grano del filtro se sigue la siguiente metodologiacutea

Muestras de acuiacutefero Se obtienen muestras del acuiacutefero Curvas granulomeacutetricas Se construyen las curvas granulomeacutetricas de las diferentes muestras obtenidas (figura 91) TamaAo de grano de filtro Un tamantildeo promedio caracteriacutestico de la granulometriacutea del acuiacutefero percentil 50 de la curva acumulativa no obstante el valor puede extenderse hasta el tamantildeo que representa el 70 de tal forma que el cociente entre el filtro de grava y la formacioacuten en el punto seleccionado (percentil de 50 a 70 O) resulte un valor que se encuentre en el intervalo de 6 1 a 4 1 Coeficiente de uniformidad En el coeficiente de uniformidad del filtro de grava no debe excederse de 25

51

Capiacutetulo 9

c) Curva de distribucioacuten ILa curva de distribucioacuten del filtro de grava

d) Seleccioacuten del filtro de grava Se seleccionaraacute de acuerdo con las

e) Volumen del filtro El vollumen del filtro se determinaraacute tomando como

debe ser paralela a la parte principal de la curva del acuiacutefero

caracteriacutesticas marcada en la tabla 91

referencia el diaacutemetro exterior del ademe del pozo

Figura 91 Curvas granulomeacutetricas filtro y muestras del acuiacutefero

Referencia CNA ( O )

Tabla 91 Caracteriacutesticas y ventajas de los filtros

CARACTERISTICAS VENTAJAS Limpieza

desarrollo Poca peacuterdida de material durante el

Alta conductividad hidraacuteulica

Maacutes efectividad de desarrollo

solucioacuten de minerales

Redondez del grano

No se presenta peacuterdida del volumen por 90 a 95 de grano de cuarzo

Alta porosidad

Disminucioacuten de peacuterdidas a traveacutes del Coeficiente de uniformidad de 25 o menor filtro

52

Capiacutetulo 9

94 Disentildeo del espesor del filtro de grava

Puesto que la teoriacutea de disentildeo de la gradacioacuten de grava se basa en la retencioacuten mecaacutenica de las partiacuteculas de la formacioacuten lo Uacutenico que se necesitariacutea es su espesor de filtro de solamente dos o tres veces el tamantildeo del grano para que el filtro retuviese y controlase la arena de la formacioacuten sin embargo en la praacutectica resulta filtros tan delgados por ello para asegurarse de que el filtro rodee en su totalidad al cedazo espesores de 8 cm como miacutenimo y 20 cm como maacuteximo exceder de estos limites acusariacutea problemas durante el desarrollo del pozo Adicionalmente es recomendable que el cedazo cuente con centradores en Io que se refiere a su longitud esta debe extenderse por encima del cedazo por menos 6 ni (20 pies)

95 Materiales usados en filtros

Los materiales utilizados corrto filtros deben presentar caracteriacutesticas de resistencia a la alteracioacuten quiacutemica de las aguas subterraacuteneas y limpieza de los pozos Generalmente se recomienda la utilizacioacuten de materiales cuya constitucioacuten primaria sea granos de cuarzo y un porcentaje menor de 5 de material no - silicio Su peso especifico debe ser mayor de 25 los granos no - redondeados no deben exceder del 2 en peso y no maacutes de 5 deben ser solubles en aacutecido clorhiacutedrico El material debe estar lavado y desinfectado libre de micas arcillas e impurezas orgaacutenicas asiacute como de hierro y manganeso de tal forma que no se afecte la calidad del agua subterraacutenea

En figuras 92 a y b se pueden observar algunos detalles mencionados en capiacutetulos anteriores para pozos con desarrollo natural asiacute como pozos de desarrollo natural y artificial

96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR

a) Meacutetodo de disentildeo Bieske(l962)- Se basa en el tamantildeo tiacutepico(dt) de la muestra y a partir de el calcula eacuteI tamantildeo homogeacuteneo del filtro granular multiplicado por un factor de filtracioacuten normalmente igual a 4

b) Meacutetodo de Nold(1962)- Tambieacuten se obtiene con el tamantildeo de filtro homogeacuteneo a partir del coeficiente de uniformidad del acuiacutefero

c) Meacutetodo de Stow(l962)- Proporciona filtros de tamantildeo granulado seguacuten el siguiente criterio tamantildeo del grano ademaacutes de cumplir la condicioacuten siguiente

53

Capiacutetulo 9

Por uacuteltimo incluireacute el meacutetodo de Johnson (1966) - por ser uno de los maacutes recomendables si hay la posibilidad de obtener un filtro graduado en la zona donde se construyen los pozos y si se cuenta ademaacutes con un cedazo con buen porcentaje de aacuterea libre

Para la seleccioacuten se procederaacute de la siguiente manera

Se elabora la curva granulomeacutetrica del material maacutes fino En la curva se obtendraacute su d30 o sea el 70 retenido y se multiplica por un

factor variable entre 4 y 9

a) si el material del acuiacutefero es fino y uniforme b) si el material es mas grueso y menos uniforme c) si fuera muy poco uniforme y tuviera limos

Con base a este punto se traza un curva con coeficiente de uniformidad igual o

Esta curva seraacute la curva del filtro y se permitiraacuten tolerancias de +8 menor que 25

Figura 92 Detalles de colocacioacuten de filtros rejillas camara de bombeo camara de produccioacuten y ademe entre otros

Referencia Caacutemara Nacional de la Industria de la Construccioacuten ()

54

CAPiacuteTULO I O

ENTUBACI~N Y CEMENTACI~N

DE POZOS

Capiacutetulo 1 O

CAPITULO I O ENTUBACIOacuteN Y CEMENTACIOacuteN DE POZOS

101 Entubacioacuten

Unas veces durante la perforacioacuten otras despueacutes de acabada Eacutesta es preciso revestir el pozo lo que se hace por medio de una tuberiacutea la que se coloca durante la perforacioacuten que puede ser provisional o definitiva

1011 Finalidad de la entubacioacuten

La utilizacioacuten de la provisional es mas frecuente cuando la perforacioacuten se hace por percusioacuten que cuando se realiza con rotacioacuten de Iodos bentoacutenicos En pozos profundos se emplea varias tuberiacuteas en forma telescoacutepica debido al desprendimiento de las paredes

La entubacioacuten provisional resulta tambieacuten necesaria cuando a la vez que se perfora se quiere ir conociendo los caudales parciales de los acuiacuteferos atravesados

La tuberiacutea definitiva llamada al veces columna teacutecnica es la que se coloca definitivamente para revestir el pozo y desempentildea dos funciones fundamentales

a) Sostener las paredes de la perforacioacuten b) Construir la conduccioacuten hidraacuteulica que pone en comunicacioacuten los

acuiacuteferos con la superficie

La entubacioacuten definitiva puede ser toda del mismo diaacutemetro o de distintos diaacutemetros en orden decreciente de arriba hacia abajo llamaacutendole entonces telescoacutepica

1012 Tipos de entubacioacuten

En la mayoriacutea de los casos los pozos de produccioacuten se revisten con tuberiacutea metaacutelica Existen tambieacuten tuberiacuteas de otros materiales como fibrocemento fibra de vidrio madera tratada plaacutestico etc Pero dado su escaso uso uacutenicamente se haraacute referencia a las tuberiacuteas metaacutelicas

En lo que se refiere a la unioacuten de los tubos se emplea el manguito roscado En Espantildea mas frecuencia se realiza la unioacuten por soldadura a tope En las uniones soldadas a tope es muy recomendable refrendar y biselar a torno ambos extremos a soldar y usar un electrodo bien elegido de acuerdo con las caracteriacutesticas del acero de la chapa esto facilita la labor del operario

55

Capiacutetulo 1 O

Debe evitarse el empleo de tuberiacuteas formadas por tramos de distinto metal seraacuten roscadas o soldadas pues con ello se fomenta la correccioacuten A estos efectos y a la medida de lo que es posible debe procurarse que el metal de los filtros y rejillas sean el mismo que el de la entubacioacuten

101 SSelecciOacuten de la entubacioacuten

Independiente de la eleccioacuten que se haga del material que forma la tuberiacutea principalmente teniendo en cuenta la agresividad de las aguas es preciso considerar el diaacutemetro mas adecuado de la tuberiacutea y el espesor de eacutesta

Para la seleccioacuten de diaacutemetro les preciso tener presente dos cuestiones en primer lugar si el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considera va unida a la rejilla filtrante por la que penetra el agua Por lo que el diaacutemetro adecuado seraacute aquel que permita la velocidad maacutexima de entrada del agua a la rejilla para que las perdidas de carga que se produzcan sean aceptables por experiencia se recomienda esta de 3 cmseg

En segundo lugar el diaacutemetro de la tuberiacutea que se considere para alojar la bomba de elevacioacuten del agua seraacute como miacutenimo el de la bomba maacutes una holgura razonable para el descenso y extraccioacuten de aquella y para circulacioacuten del caudal bombeable por el espacio anular comprendido entre la pared de la bomba y la pared interior de la tuberiacutea

El diaacutemetro miacutenimo elegible para una tuberiacutea de revestimiento seraacute en teoriacutea en funcioacuten del tipo de rejilla elegido con maacutes o menos un porcentaje de superficie libre) y del diaacutemetro de la bomba que depende del caudal a bombear de la marca y de la velocidad de giro del motor eleacutectrico cuando estaacute forma una sola unidad con aquella y esta sumergido que es hoy Io mas frecuente

La segunda cuestioacuten importante para la seleccioacuten de la entubacioacuten es el espesor de la pared Para su determinacioacuten hay que tener presentes los esfuerzos a los que estaraacute sometida Los maacutes desfavorables para las tuberiacuteas son las que actuacutean de afuera para adentro en este caso los empujes del terreno y sobre todo las posibles cargas hidrostaacuteticas por diferencia de nivel de agua entre el interior y el exterior del pozo

1014 Entubacioacuten telescoacutepica

Como se ha mencionado anteriormente en ocasiones es necesaria la utilizacioacuten de entubacioacuten telescoacutepica Siendo la razoacuten principal el costo de la perforacioacuten y tuberiacutea de revestimientcl y la limitacioacuten de la maquina de perforar

56

Capiacutetulo 1 O

El diaacutemetro del primer tramo hasta tdonde se coloca la bomba de extraccioacuten se elegiraacute como antes se ha dicho por las exigencias de esta

La realizacioacuten del cierre entre ambas tuberiacuteas puede hacerse por dos procedimientos generales El primero consiste en una cementacioacuten

La segunda y mas frecuente es hacer el cierre interponiendo en el espacio anular comprendido entre las dos tuberiacuteas una pieza con elasticidad conveniente para adaptarse a dicho anillo

102 Cementaciones

A parte de las cementaciones que se realizan con el objeto de formar un tapoacuten de sellado en el fondo del pozo o de las que se hacen en algunos casos durante la perforacioacuten para corregir desviaciones(o a veces para provocarlas)

1021 Finalidad de las cementaciones

la principal finalidad de una cementacioacuten es la unioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con la pared del pozo Con ello se consigue evitar que las aguas superficiales contaminen los acuiacuteferos evitar la comunicacioacuten de un acuiacutefero utilizable con otro u otros contaminaidos o que constituyan un horizonte ladroacuten o que se pretendan utilizar aumentar la resistencia mecaacutenica a la corrosioacuten de las tuberiacuteas de revestimiento

1022 Procedimientos de cementacioacuten

a) Introduccioacuten de la tuberiacutea de revestimiento con el pozo lleno de suspensioacuten de cemento

Se llena el pozo con la suspensioacuten de cemento Io que puede hacerse por gravedad desde la boca o mejor introduciendo una tuberiacutea de 2rdquo hasta 30 oacute 40 cm del fondo del pozo Por lo que se vierte(tambieacuten por gravedad) la suspensioacuten del cemento Si el pozo se ha hecho por el procedimiento de percusioacuten y esta lleno de lodo el cemento desplazaraacute eacutes1e por su mayor densidad Igual que ocurre cuando la perforacioacuten esta llena de agua

Este procedimiento de cementacioacuten de tuberiacuteas esta indicado principalmente para profundidades pequentildeas del orden de unos 50 m ya que la introduccioacuten de la tuberiacutea y su soldadura por tramos de 3 o 4 m o del doble si previamente se

57

Capiacutetulo 1 O

han soldado en el suelo cada dos requiere un tiempo que no es compatible con el de fraguado del cemento

b) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea con tapoacuten perdida

En este procedimiento se cierr8a con chapa el extremo superior de la tuberiacutea que se va a cementar y se le suspende por lo menos 30 a 40 cm sobre el fondo interponiendo previamente un tapoacuten de material faacutecilmente perforable se inyecta la suspensioacuten de cemento con bornba desplazando el agua contenida en el interior de la tuberiacutea hasta hacerla salir a la superficie por el anular comprendido entre aquella y el terreno Este procedimiento generalmente usado para pozos de agua y petroacuteleo

c) Inyeccioacuten a presioacuten por el interior de la tuberiacutea Es praacutecticamente igual al procedimiento anterior pero sin interposicioacuten del

tapoacuten La suspensioacuten de cemento se inyecta ponieacutendola en contacto directamente con el agua o lodo que rellena la tuberiacutea anular

Procedimiento muy empleado en la cementacioacuten de pozos para agua

d) Inyeccioacuten con la tuberiacutea por el espacio anular

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro de 1 rsquo a dos pulgadas que se introduce por el anular entre revestimiento y perforacioacuten dejaacutendola suspendida unos 30 o 40 cm del suelo Se emplea poco debido a que suele no ser posible la introduccioacuten de la tuberiacutea de inyeccioacuten

e) Inyeccioacuten a presioacuten con tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior de revestimiento y vaacutelvula de fondo

La inyeccioacuten se hace a traveacutes de una tuberiacutea de pequentildeo diaacutemetro alojada en el interior de la entubacioacuten Una vaacutelvula que hace solidaria a ambas permite el paso de la suspensioacuten de cemento que impulsa la bomba al espacio anular entre revestimiento y perforacioacuten e impide su retorno

5 Inyeccioacuten a presioacuten cor) tuberiacutea de inyeccioacuten por el interior del

La suspensioacuten de cemento y el agua o lodo de la tuberiacutea y el anular se ponen en contacto Para que el cemento ascienda por el anular es preciso llenar previamente de agua o lodo la tuberiacutea de revestimiento y cerrar con una tapa su extremo superior

revestimiento sin vaacutelvula en el fondo

Este procedimiento es muy usado para la cementacioacuten de pozos de agua

58

Capiacutetulo 1 O

1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones

Para hacer las cementaciones se usan casi exclusivamente suspensiones de cemento y suspensiones de cemento y bentonita ambas en agua Las suspensiones de cemento tienen mas facilidad para descantar o sea son menos estables que las que contienen bentonita Son tambieacuten mas estables cuanto mayor es la dosificacioacuten de ste

Aun cuando la adicioacuten de bentonita disminuye algo la resistencia reduce sin embargo la retraccioacuten y favorece la manejabilidad de la suspensioacuten por lo cual resulta muy conveniente el empleo de suspensioacuten de cemento - bentonita Cuando el terreno o el agua de las formaciones contenga sulfatos deben utilizarse cementos resistentes a ello

1024 Verticalidad y alineacioacuten

La explotacioacuten de agua se hace introduciendo una bomba en el pozo la mayoriacutea de los casos centriacutefuga y can el motor eleacutectrico directamente acoplado a la misma y sumergido tambieacuten en agua Para que esto sea posible es necesario que el pozo sea sensiblemente vertical y sobre todo rectiliacuteneo Las tolerancias en estos dos paraacutemetros deben ser las que permitan la colocacioacuten de la bomba sin roces de la misma ni la tuberiacutea que la acompantildea con el revestimiento del pozo A estos efectos y siempre dentro de los limites razonables es mas importante la alineacioacuten que la falta de verticalidad puesto que eacutesta siempre que no sea muy acusada no impide la introduccioacuten de la bomba

Cuando existan indicios o sospecha de iniciarse una desviacioacuten debe procederse inmediatamente a tratar de corregirla para ello uno de los procedimientos es hacer la cementacioacuten que despueacutes se perfora Otras veces convendraacute entubar el sondeo 1025 Meacutetodos de medida

Para la comprobacioacuten de la verticalidad y alineacioacuten de un pozo puede utilizarse varios procedimientos No todos proporcionan la misma exactitud pero cada uno de ellos puede ser utilizado en cada uno de los casos y circunstancias

lsquou Una primera comprobacioacuten(cuando el nivel estaacutetico es suficientemente bajo) consiste en mirar desde la boca del pozo al interior(si es preciso iluminado con una linterna o por medio de un espejo que refleje los rayos del sol hacia el fondo del pozo) y comprobar si la imagen que se ve es un circulo o por el contrario un ovalo En el primer caso podraacute afirmarse que el pozo esta bastante vertical y desviado en el otro

59

Capiacutetulo 1 O

P Un procedimiento de mayor exactitud y que puede realizarse con medios bastante elementales es el descrito por Jonson(l966) consiste en esencia en calcular la desviacioacuten que se ha producida a una profundidad determinada en funcioacuten de la que se produce en la boca de un pozo para un cable fijo a una altura conocida por encima de la boca del pozo

Para esto se utiliza una plomada con diaacutemetro ligeramente inferior al del pozo

gt Otro procedimiento para medir la verticalidad y alineacioacuten de un pozo consiste en introducir en 61 un instrumento de medida que en esencia consiste en una plomada y un disco - bruacutejula graduado seguacuten ciacuterculos conceacutentricos La posiciOn de la plomada para las distintas profundidades queda registrada fotograacuteficamente mediante una serie de fotografiacuteas tomadas por la caacutemara que lleva incorporada el aparato de medida (que esta alojado en un cilindro de unos 70 mm de diaacutemetro y 3 m de longitud) y que permilten dibujar los graacuteficos ya dichos

Con este grafico pueden comprobarse si este tramo de prueba pasaraacute o no por el interior de la entubacioacuten

60

CAPiacuteTULO I I

TERMINACI~N

DEL POZO

Capiacutetulo 11

CAPITULO 11 TERMINAC16N DEL POZO

1 I I Ampliaciones

Una vez disentildeado el pozo normalmente a partir de la perforacioacuten exploratoria que es el inicio del futuro pozo de explotacioacuten o a partir de un sondeo exploratorio en pequentildeo diaacutemetro se propagan las ampliaciones necesarias para lograr alcanzar el diaacutemetro definitivo del proyecto

Los pasos necesarios dependen de varios factores entre los que podemos citar

a) Tipo de perforadora b) Tamantildeo de la perforadora c) Materiales cortados d) Profundidad de la perforacioacuten e) Equipo auxiliar f) Otros

En cualquier caso se debe considerar que el paso de una ampliacidn no debe ser constante en el aumento de diaacutemetro pues el material removido por ejemplo en un paso de 10 a 12rdquo es muy diferente al que deberiacutea remover en un paso de 20 a 22

112 El ademado del pozo

Ya se dijo antes que no todos) los pozos requieren de ademe pero el pozo ademado es con mucha ventaja el maacutes frecuente Esencialmente su costo elevado se justifica al eliminar en gran medida la posibilidad de errores de soldadura Sea cual sea el ademe usado la operacidn del entubado debe hacerse en forma cuidadosa y lo maacutes raacutepida posible para evitar que el pozo se cierre o azolve sobre todo cuando se ha perforado materiales inestables

113 Tap6n de fondo

Resulta siempre conveniente el colocar en el fondo del pozo un tapdn de cemento que impida la entrada aH pozo de materiales por el fondo aislamiento que es particularmente importante si se tuvieran arcillas plaacutesticas en el fondo Este aislamiento es tambieacuten necesario en el caso de los pozos complementos para impedir el acceso de aguas de mala calidad como se dijo antes eran frecuentes en la porcioacuten inferior de muchos acuiacuteferos libres

61

Capiacutetulo 11

114 Engravado y lavado preliminar

Una vez finalizada la colocacioacuten del ademe se precede a la colocacioacuten del filtro granular la cual es simultaacutenea a la del lavado preliminar

Aspectos principales que se deben cuidar para la colocacioacuten del filtro granular

Evitar el ldquopuenteordquo del filtro oacute sea el acuntildeamiento de los graacutenulos entre el ademe y el terreno pues este puente impide la colocacioacuten del filtro en la zona inferior a eacutel El otro problema que debe evitarsrsquoe es la segregacioacuten del filtro formando micro - estratos de distinta granulometriacutea pues el material grueso puede permitir la entrada de arenas al pozo

115 Meacutetodos de Engravado

Existen meacutetodos maacutes o menos sofisticados que resultan caros y de difiacutecil ejecucioacuten por lo que solamente se comentaran los dos maacutes usuales

Engravado raacutepido El filtro se deja caer en el pozo en forma continua en grandes cantidades con lo cual se evita la segregacioacuten del graacutenulo pues el material que se retarda en los primeros enviacuteos es alcanzado por el que se adelanta en los siguientes resultando asiacute una llegada simultaacutenea de materiales heterogeacuteneos respecto a tamantildeo

Engravado lento El filtro se deja caer al pozo en pequentildeas cantidades y dejando transcurrir cierto tiempo seguacuten la profundidad entre enviacuteo y enviacuteo

Aunque cada enviacuteo sufre segregacioacuten la cantidad de material es tan pequentildea que el estrato formado es praacutecticamente inexistente y por otra parte se dificulta la formacioacuten del puente

116 Lavado

Una vez terminada la colocacioacuten del filtro se continua el lavado que ya se habiacutea iniciado sustituyendo el lodo de perforacioacuten y el agua turbia con agua clara Esta operacioacuten se finaliza con la colocacioacuten en el pozo de un dispersante de arcillas cuando sea necesario

62

CAPiacuteTULO 12

DISENtildeO DE UN POZO

DE BOMBEO CON

EJEMPLOS DE

APLICACI~N

Capiacutetulo 12

CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON EJEMPLO DE APLICACIoacuteN

Antes de comenzar con lo clue es el disentildeo de un pozo de bombeo conviene mencionar que una captacioacuten de agua es una respetable obra de ingenieriacutea que plantea complejos y variados problemas de Geohidrologiacutea tecnologiacutea de perforacioacuten hidraacuteulica

En los primeros capiacutetulos se estudiaron conceptos baacutesicos que nos ayudaron a comprender el movimiento del agua en sus diferentes medios y en los uacuteltimos capiacutetulos nos adentramos propiamente a conceptos importantes enfocados al disentildeo de pozos los cuales se tornaran de base para el disentildeos de pozos con ejemplos de aplicacioacuten

Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua como se menciono en capiacutetulos anteriores no es una tarea faacutecil y aunque en campo surgen varios inconvenientes que nos llevan desde el retrazo en el tiempo de la obra hasta el abandono o peacuterdida del mismo pozo Por Io que una primera suposicioacuten seria que el pozo a disentildear es factible a realizar

Realizar el disentildeo de un pozo para cada tipo de acuiacutefero y formacioacuten no es el objetivo de este trabajo por lo que se tomaran dos ejemplos baacutesicos para dos tipos de acuiacutefero como lo son 1) Acuiacutefero libre y 2)Acuiacutefero confinado que sin duda ayudaran a ejemplificar el procedimiento a la hora de disentildear un pozo para extraccioacuten de agua

121 Ejemplo l Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo

Para este ejemplo primero se supusieron datos de una perforacioacuten exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 121

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0 - 3 Suelo veuetal

Arenas medias con alta salinidad Arcillas con poca arena Arenas y gravas gruesas con mezclas de estos materiales I i4 1 Los yyaiIIas 11 Arenas ravas ruesas Granito irltemperizado

63

Capiacutetulo 12

Ademaacutes de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

a) No hay problemas de incrustacioacuten y corrosioacuten en la zona b) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 15 m c) Gasto requerido Q = 110 Ips d) Gasto especifico Qe = 11 Ips e) Abatimiento del nivel estaacutetico Hne = 2antildeos 9 Vida uacutetil del pozo t = 15 antildeos Sgt

5

Longitud de la caacutemara de bombeo

Para calcular la longitud de la caacutemara de bombeo se utiliza la ec63 y los datos supuestos

Lcb = Pne + Ane +Aq +30 Ec 63

Para Ane con una vida Uacutetil de 15 antildeos se tiene

AnelE = (Ane) (t) Ec121

Para calcular se usa la siguiente expresioacuten

A q ~ EC 68 Q Qe

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supu se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

estos para este ejemplo

Lcb = I 5+30+11+30 = 86 m

Con la siguiente ecuacioacuten 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el diaacutemetro de los tazones

Dt = Q = 1048 z 11 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacioacuten 65

Dc = I I +6 = 17 pulg

El diaacutemetro miacutenimo se obtiene con la ecuacioacuten 66

Dp = 16+6 = 23 pulg

64

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S

recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tablas 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa L C

Au = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

011 AU = = 36666m = 36666cm2

003 S

observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que los acuiacuteferos factibles a explotar son los que estan entre las profundidades de 98 - 145 y de 200 - 230

Como no se cuenta con mas informacioacuten sobre la calidad del agua a en la zona selecciona una longitud de rejilla del 50 del acuiacutefero para ambas profundidades que es la recomendada en estos casos

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 50 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 160 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para el acuiacutefero de 198 - 145 se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

65

Capiacutetulo 12

Para el acuiacutefero de 200 - 230 se utiliza la figura 83 que es para una granulometriacutea de arena finas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 067 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = (145-98)+(230-200) = 77m

Cedazo = 77 x 5 = 385 m

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 385 = 21 560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 160000 cm v = = = 742 Ec 123 Au 2 1 560cm S

Observando que es alta por lo que se aumentara el diaacutemetro para reducir la velocidad

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se tiene

Au = 840 x 385 = 32340 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

Q 160000 cm3 cm v = 32 = 454 Au 32340cmrsquo S

Se observa que sigue siendo ligeramente al por lo que se procede a aumentar la longitud de la rejilla al 70 para reducir la velocidad de entrada es decir

Cedazo = 77 x 7 = 539 m

66

Capiacutetulo 12

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

a) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 b) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas c) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) d) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de I O cm para la

colocacioacuten de la bomba e) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba 9 Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

17 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos del diaacutemetro de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

En la 12 2 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 121 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 122

11 PROFUNDIDAD I TIPO DE TUBERA II I U A d e m e cieao

COLOCADA ~~~

100 - 109 Ademe ciego 20 - 100 Ademe ciego

109 - 142 Cedazo con ranura de 1 mm 142 - 207 Ademe ciego 1 200 - 228 Cedazo con ranura de 1 mm

I w T a o oacute n de sello de cemento 228 - 2332 Ademe ciego

67

89

Capiacutetulo 12

122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)

Para este ejemplo se primero se supusieron datos de una perforacibn exploratoria descritos en la siguiente tabla

Tabla 123

PROFUNDIDAD LITOLOGIA 0-4 Suelo vegetal 4-19

Arcillas v limos 19 - 96 Arenas medias con alta salinidad

Ademas de los datos de litologiacutea y espesor de los estratos se hicieron las siguientes suposiciones

h) No hay problemas de incrustacibn y corrosioacuten en la zona i) Profundidad del nivel estaacutetico Pne = 20 m j) Gasto requerido Q = 100 Ips k) Gasto especifico Qe = 1 O Ips I) Abatimiento del nivel estaacutetico Ane = 25 aiiacuteos m) Vida uacutetil del pozo tv = 15 aiiacuteos

Longitud de la cdmara de bombeo

De las ecuaciones 63 68 y 121 y los datos supuestos para este ejemplo se tiene que la longitud de la camara de bombeo es

Lcb=20+38+10+30=98m

Con la siguiente ecuacibn 64 despejada dado un caudal medio Q podemos saber el dihmetro de los tazones

Dt = = 100 pulg

Para el diaacutemetro de la caacutemara de bombeo se utiliza la ecuacibn se utiliza la Ec 65

Dc =10+6 = 16 pulg

El diaacutemetro miacutenimo del agujero se calcula la Ec 66

Dp = 16+6 = 22 pulg

69

Capiacutetulo 12

Dimensiones de la Seccioacuten de captacioacuten

Para calcular las dimensiones del aacuterea de captacioacuten calculamos primero el Aacuterea miacutenima con la ecuacioacuten de continuidad y una velocidad de 3 cm S recomendada en el capitulo 8 y 6 por medio de la siguiente ecuacioacuten

Aa = Ec 122 Y

El aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) se estimara con ayuda de la tabla 125 y la ecuacioacuten 69 o bien estimarla conociendo la longitud del estrato a explotar asiacute como el tipo de acuiacutefero que se trate Para este caso se estimara LC de acuerdo con el tipo de acuiacutefero que se trate y suponiendo que el acuiacutefero a explotar se comporta como homogeacuteneo

Aa LC

AU = ~ Ec 69

con la ecuacioacuten 122 calculamos el aacuterea miacutenima

( ) J p 3

AU = = 33333mrsquo = 33333cmrsquo 003 m

S

Observando la litologiacutea de la perforacioacuten se determina que el acuiacutefero factible a explotar es el que esta entre las profundidades de 96 -165

Se selecciona una longitud de rejilla del 80 del acuiacutefero por tratarse de un acuiacutefero confinado de mas de 20 m de espesor

Se seleccionara un rejilla que retenga el 50 OO del material de acuerdo con las graficas de las figuras 83 y 84

Como resultado de dicho anaacutelisis granulomeacutetrico y considerando la longitud de rejilla del 80 de los acuiacuteferos a explotar ademaacutes de suponer un gasto a futuro de 140 Lps se tienen los siguientes resultados

Supondremos tambieacuten que la rejilla se construiraacute en material de PVC y probaremos para diferentes diaacutemetros

Para este acuiacutefero (96 - 165) se utiliza la figura 84 que es para una granulometriacutea de arena y gravas gruesas se tiene que para el 50 retenido acumulado se tiene una abertura del filtro de 08 mm

La longitud del acuiacutefero y cedazo serian

Acuiacutefero = 165-96 =69m Cedazo = 77 x = 552 m

70

Capiacutetulo 12

Para ambos acuiacuteferos se usaran rejillas de Imm de abertura debido que es el miacutenimo tamantildeo en que se fabrican

Para un ademe de PVC con ranura de 1 mm y 10 pulg De tablas se tiene un aacuterea libre de 560 cm2 m por lo que el aacuterea abierta por unidad de longitud (Au) queda de la siguiente manera

Au = 560 x 552 = 21560 cm2

Con la ecuacioacuten de continuidad pera ahora con Au se calcula la velocidad para verificar que sea de 3 cm S o al menos aproximada

Q 140000 cm3 cm v = = = 455 Ec 123 AU 30912cmrsquo S

Se observa que la velocidad es ligeramente al por lo que se procede a

Probemos ahora con ranura de 1 mm y 14 pulg Haciendo uso de tablas se reducir la velocidad de entrada aumentando el diaacutemetro

tiene

Au = 840 x 552 = 46386 cm2

Utilizando la ecuacioacuten 123 para el nuevo valor de Au se tiene

v = Q == 140000cm3 cm =301 Au 463 86cmrsquo S

Esta velocidad es justamente la que requerimos

Acabado del bozo

El acabado del pozo quedo de la siguiente manera

g) El tapoacuten de fondo se dejo a 15 ( h) Se coloco filtro de grava con un espesor de 3 pulgadas i) Se cemento el ademe ciego (lechada de cemento) j) Se coloco una placa de concreto de 7Ox70con un espesor de 10 cm para la

colocacioacuten de la bomba k) Se alargo el ademe ciego 60 cm por encima del nivel del terreno para

prevenir contaminacioacuten y facilitar la colocacioacuten de la bomba I) Se redujo el diaacutemetro del ademe a partir de la primer acuiacutefero a explotar de

16 a 14 pulgadas en base a los caacutelculos de la longitud de la rejilla Conservando el mismo diaacutemetro en las rejillas y ademe hasta el fondo del pozo

71

Capiacutetulo 12

En la tabla 12 4 se detalla la colocacioacuten del ademe y rejilla y en la figura 122 se ilustran la mayoriacutea de los detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua potable con estas caracteriacutesticas

Tabla 124

PROFUNDIDAD TIPO DE TUBERA COLOCADA O - 98 Ademe cieao

98 - 104 Ademe ciego 1- 104 - 160 Cedazo con ranura de 1 mm Ademe ciego

164 - 1665 Tap6n de fondo (sello decemento)

Tabla 125 Areas libres en porciento y crn2m de tipo PVC de cedazos para pozos de extraccioacuten de agua

TIPO DE CEDAZO

Diaacutemetro nominal en 05 pulgadas cmLm

4 160 5

6 I 5 1 240

8

480 4 14

400 4 12

320 4 10

268 5

ADEME DE PVC

1 o 15 20 30 YO I cmLm YO I cmLm YO I cmLm I cmLm

Figura 121 Detalles del disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua subterraacutenea en acuiacutefero confinado (artesiano)

72

Capiacutetulo 13

CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA

AI Hacer un disentildeo de un pozo para extraccioacuten de agua nos conduce a pensar en alternativas para el mejor uso y aprovechamiento del agua extraiacuteda Aunque el presente trabajo esta enfocado principalmente al disentildeo de pozos no se pueden dejar de mencionar el uso eficiente de agua que incluso fue motivo del seminario internacional ldquouso eficiente de agua (IMTA CNA) 1994rdquo

Definir lo que es el uso eficiente de agua se presta a diferentes interpretaciones dependiendo del uso que se pretenda darle al agua es por eso que a continuacioacuten se presentan algunos conceptos y definiciones que nos ayudaran a comprender mejor porqueacute se debe aprovechar este valioso recurso

Usar el agua extraiacuteda de pozos es sin duda muy coacutemodo y pocas veces nos ponemos a pesar en la problemdtica que esta practica nos acarrea cmo lo es el hundimiento de los suelos y la sobre explotacibn de los mantos acuiacuteferos entre otros problemas es por eso que pesar en reciclar el agua que usamos nos presenta una alternativa viable para su mejor aprovechamiento sin embargo reciclar el agua no es una tarea facil y sin duda es un tema muy extenso sin embargo en este capitulo se describirim brevemente algunos de [os procesos para tratamiento de agua y se mencionarim los indices de calidad permisibles

141 uso eficiente

141 I Definiciones de uso eficiente de agua

J Bau (1991) afirma que acciones como captar agua de lluvia en recipientes para usos dom6sticos o construir una presa recargar un acuiacutefero o usar agua de menor calidad para preservar agua de buena calidad reducir la demanda de agua mediante el mejoramiento de los haacutebitos personales la redutxibn de las fugas y el pago de tarifas adecuadas aprovechar el desarrollo de la tecnologiacutea y de las teacutecnicas de administracioacuten del agua coordinar el manejo de los recursos hidrhulicos con el de la tierra y los aspectos econoacutemicos y sociales o promover normas y regulaciones es uso eficiente de agua

0 Por su parte Walker Richardson y Sevebeck (1991) dicen que el uso eficiente significa aprovechar mejor el agua y asegurar mayor eficiencia en su uso

0 S Gloss (1 991) indica que la eficiencia debe considerarse desde varias perspectivas es decir que existe una eficiencia absoluta que relaciona un uso determinado con la menor cantidad posible de agua para satisfacerlo

74

BIBLIOGRAFIacuteA

BIBLIOGRAFiacuteA

1- Custodio Gimea Emilio 1983 Hidrologiacutea Subterraacutenea Vol 1 y 2 Ed Omega 2 edicioacuten Espantildea

2- David Keith Todd 1973 Hidrologiacutea (Agua Subterraacutenea) Ed Parinfo Madrid

3- FCO Aparicio Mgares 1989 Fundamentos de Hidrologiacutea de Superficie la edicioacuten Meacutexico

4- Davis Stanley N 1971 Hidrogeologiacutea Ed Ariel Espantildea

5- Ulric P Gibson Rexford D Singer 1990 Manual de Los Pozos Pequentildeos Ed Limusa 7a edicioacuten Meacutexico

6 - Ray K Linsley Jr 1988 Hidrologja para Ingenieros Ed Mc Graw - Hill 2 Edicioacuten EE UU

7- Roger J M De Wiest 1965 Geohidrology Ed TSBN EE UU

8 - Johnson Division de 1975 El agua Subterraacutenea y los Pozos Ed

9- American Water Works Association Elementos de construccioacuten de pozos la Edicioacuten

IO- Divisioacuten Educacioacuten Continua de ingenieriacutea UNAM Hidraacuteulica y Disentildeo de Pozos 1980 Publicaciones UNA M f a edicioacuten Meacutexico

I l - Comisioacuten Nacional del Agua 1994 Perforacioacuten de Pozos libro V 331 CNA la Edicioacuten Meacutexico

12- Comisioacuten Federal de Electricidad Manual de Disentildeo de Obras civiles A l 12 Geohidrologiacutea 1983 Instituto de Investigaciones Eleacutectricas C F E Meacutexico

82

BIBLIOGRAFIacuteA

13- Caacutemara Nacional de la Industria de La Construccioacuten Ing Miguel Angel Garcia Chable Disentildeo de Pozos Primera Reunioacuten Nacional del Grupo de Perforacioacuten de Pozos C N 1 C Meacutexico

14- H M Raghunath 1982 Ground Water Ed John Wiley and Sons Singapore

83

  • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HlSTOacuteRlCOS
  • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
  • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
    • 21 Ciclo Hidroloacutegico
    • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
      • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
      • BAacuteSICOS EN AGUAS
        • 41 Aguas subterrheas (I 2
        • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 2s3
        • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
        • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
        • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (tradeI
        • 47 Porosidad Efectiva
        • 48 Permeabilidad intriacutenseca
        • 49 Coeficientes de Almacenamiento
        • 410 Transmisividad
        • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
        • 412 Tipos de acuiacuteferostrade
          • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
            • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
            • 52 Ley de Darcy
            • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
            • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
            • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
              • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                • 63 Clasificacioacuten de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                • 64 Proceso de Disefio de un Pozo
                  • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                    • 115 M6todos de Engravado
                    • 116 Lavado
                      • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                        • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                        • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                          • CAPITULO 13 USO EFICIENTE Y REUS0 DE AGUA
                            • 141 Uso eficiente
                              • 1411 Definiciones de uso eficiente de agua
                              • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                              • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                • 142 Reuso de agua
                                  • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                    • 143 Calidad del agua
                                      • BlBLlOGRAFlA
                                      • CAPiacuteTULO l ANTECEDENTES HISToacuteRICOS
                                      • 1 I El agua del subsuelo en las civilizaciones antiguas
                                      • CAPITULO 2 EL CICLO HIDROLOacuteGICO
                                        • 21 Ciclo Hidroloacutegico
                                        • 22 El agua subterrhnea en el ciclo hidroloacutegico
                                          • CAPITULO 3 CONCEPTOS BAacuteSICOS DE HlDROLOGiacuteA
                                          • BAacuteSICOS EN AGUAS
                                            • 41 Aguas subterrheas
                                            • 42 Distribucioacuten del agua en el subsuelo 23
                                            • 43 Acuiacuteferos como formaciones geoloacutegicas(2)
                                            • 45 Rendimiento especifico y retencioacuten especifica
                                            • 46 Permeabilidad o conductividad hidraacuteulica (I)
                                            • 47 Porosidad Efectiva
                                            • 48 Permeabilidad intriacutenseca
                                            • 49 Coeficientes de Almacenamiento
                                            • 41 O Transmisividad
                                              • 41 1 Coeficiente de almacenamiento
                                                • 412 Tipos de acuiacuteferos
                                                  • CAPITULO 5 MOVIMIENTO DE AGUA SUBTERRAacuteNEA
                                                    • 51 Observaciones importantes sobre el flujo de agua subterraacutenea
                                                    • 52 Ley de Darcy
                                                    • 53 Movimiento radial estacionario del agua hacia un pozo
                                                    • 54 Movimiento radial Transitorio del agua hacia un pozo
                                                    • 55 Exploracioacuten de agua subterraacutenea
                                                      • CAPITULO 6 FACTORES DETERMINANTES EN EL DISENtildeO
                                                        • 61 Ventajas de un pozo bien disefiado
                                                        • 62 Importancia del muestre0 durante la perforacioacuten
                                                        • 63 Clasificaci6n de pozos de acuerdo con las formaciones geoloacutegicas a
                                                        • 64 Proceso de DiseAo de un Pozo
                                                        • 66 Profundidad del pozo
                                                        • 67 Principios baacutesicos de la planeacioacuten y disentildeo de pozos
                                                        • 68 Diaacutemetros de la tuberiacutea de produccioacuten
                                                        • 681 Caacutemara de bombeo
                                                        • 682 Porcioacuten filtrante
                                                        • 69 Algunos errores comunes en el disentildeo de pozos
                                                          • CAPITULO 7 ADEME
                                                            • 71 Eleccioacuten del dihmetro
                                                            • 72 Espesor del ademe
                                                            • 73 Materiales del ademe
                                                            • 74 Resistencia a los esfuerzos
                                                            • 75 Resistencia quiacutemica
                                                              • CAPITULO 8 REJILLA
                                                                • 81 Caracteriacutesticas principales de las rejillas
                                                                • 82 Analisis granulomeacutetrico para el disentildeo de rejillas
                                                                • 83 Tipo de rejilla
                                                                • 84 Longitud de la rejilla
                                                                • 85 Abertura de la rejilla
                                                                • 86 Dihmetro de la rejilla
                                                                • 87 Seleccibn del material de la rejilla
                                                                • 88 Resistencia de la rejilla
                                                                • 91 Tipos de filtros
                                                                • 92 Disentildeo de filtros
                                                                • 93 Tamantildeo del grano del filtro
                                                                • 94 Disentildeo del espesor del filtro de grava
                                                                • 95 Materiales usados en filtros
                                                                • 96 MEacuteTODO DE DISENtildeO DE FILTRO GRANULAR
                                                                • 101 Entubacioacuten
                                                                • 1011 Finalidad de la entubacioacuten
                                                                • 1012 Tipos de entubacioacuten
                                                                  • 1013Seleccioacuten de la entubacioacuten
                                                                    • 1014 Entubacioacuten telescoacutepica
                                                                    • 102 Cementaciones
                                                                      • 1021 Finalidad de las cementaciones
                                                                      • 1022 Procedimientos de cementacioacuten
                                                                      • 1023 Material de inyeccioacuten y dosificaciones
                                                                        • 1024 Verticalidad y alineacioacuten
                                                                        • 1025 Mdtodos de medida
                                                                          • CAPITULO 11 TERMlNACldN DEL POZO
                                                                            • 111 Ampliaciones
                                                                            • 113 Tap6n de fondo
                                                                              • 1 I 4 Engravado y lavado preliminar
                                                                                • 115 Meacutetodos de Engravado
                                                                                • 116 Lavado
                                                                                  • CAPITULO 12 DISENtildeO DE UN POZO DE BOMBEO CON
                                                                                    • 121 Ejemplo 1 Acuiacutefero libre (no confinado) heterogeacuteneo
                                                                                    • 122 Ejemplo 2 Acuiacutefero confinado (artesiano)
                                                                                      • CAPITULO 13 USO EFECIENTE Y REUS0 DE AGUA
                                                                                        • 141 Uso eficiente
                                                                                          • 141 I Definiciones de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1412 Concepto de uso eficiente de agua
                                                                                          • 1413 Dimensiones del uso eficiente del agua
                                                                                            • 142 Reuso de agua
                                                                                              • 1421 Plantas de tratamiento de aguas residuales
                                                                                                • 143 Calidad del agua
                                                                                                  • BlBLlOGRAFlA
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