cap ggu-drawdown esp

Ultima revisión: Junio 2008 Copyright: Civilserve GmbH Capacitación y Ventas: Dpto. Técnico y Ventas Civilserve GmbH, BS

CURSO DE CAPACITACIÓN

GGUGGUGGUGGU----DRAWDOWNDRAWDOWNDRAWDOWNDRAWDOWN

Curso de Capacitación GGU-DRAWDOWN

CSA-BS-03 www.civilserve.com Página 2 de 18

1. Introducción

El curso de capacitación contiene las bases teóricas para el uso del programa y un ejemplo de aplicación para el aprendizaje del mismo. Al finalizar el curso el estudiante será capaz de diseñar instalaciones múltiples de pozos, lo que implica el cálculo e interpretación de la re-ducción del Nivel Freático (NF), identificación del punto más desfavorable en el sistema, y la aplicación de rutinas de optimación para determinar el número necesario de pozos, su ali-neamiento y dimensiones.

El curso de capacitación está pensado para catedráticos e ingenieros con conocimientos sóli-dos en la materia de Geotecnia, y por lo tanto los fundamentos básicos de la teoría de suelos no se analizarán en este documento. El uso del programa se mostrará mediante un ejemplo de cálculo específico, por lo que es posible que no se toquen todos los detalles del programa. El estudiante puede estudiar con mayor profundidad los detalles del programa en el Manual de Uso respectivo.

Los fundamentos teóricos se mencionan brevemente, por lo que se recomienda que el estu-diante esté familiarizado con la bibliografía recomendada. De igual forma, el estudiante po-drá acceder en la página Web: www.ggu-software.com a más información sobre el programa, descargar los manuales de uso y videos tutoriales.

Más informaciones: [email protected]

2. Fundamentos teóricos

2.1. Excavaciones

Para mantener una excavación "seca", es decir sin ingreso de aguas subterráneas, existen dos posibilidades:

• La excavación puede mantenerse impermeable con la ayuda de elementos naturales y constructivos (por ejemplo paredes y soleras impermeables).

• Sin utilizar elementos impermeables, efectuando la reducción del NF con sistemás de pozos. El sistema de pozos es el tema que nos ocupa en este curso de capacitación.

Figura 1.Figura 1.Figura 1.Figura 1. Vista en sección, instalación múltiple de pozos Vista en sección, instalación múltiple de pozos Vista en sección, instalación múltiple de pozos Vista en sección, instalación múltiple de pozos [3][3][3][3]

Designaciones:

Horizonte ficticio= Línea que se traza inmediatamente bajo la base del pozo. Se asume que este horizonte es impermeable.

t= reducción del NF hasta la base de la excavación.

h= altura del nivel de aguas (a partir del horizonte ficticio) en el centro de la excavación.



Z= diferencia de altura entre el nivel de aguas y la base de la excavación, en el centro de la misma.

S= reducción del NF en el pozo.

h'= longitud sumergida del pozo.

H= nivel freático (sin perturbar) a partir del horizonte ficticio.

2.2. Pozos normales y pozos incompletos (Inconclusos)

Las fórmulas que generalmente se usan para el cálculo de pozos, consideran que la base del filtro del pozo se encuentra sobre una capa impermeable de terreno (Pozos normales). En la práctica ésto no es siempre posible, ya que es muy común encontrarse con acuíferos de gran espesor. En estos casos se realiza la perforación del pozo hasta una profundidad determina-da, lo que permite un flujo adicional por la parte inferior del filtro (Pozos incompletos). Para el cálculo de pozos incompletos se realiza un cálculo análogo a los pozos normales, con la suposición que el filtro se encuentra colocado sobre un "horizonte impermeable ficticio". El flujo adicional en el pozo se considera como un "factor de sobrecarga" que actúa sobre el caudal del pozo normal.

Figura 2.Figura 2.Figura 2.Figura 2. Tipos de pozos: Tipos de pozos: Tipos de pozos: Tipos de pozos: pozo normalpozo normalpozo normalpozo normal (izq) y (izq) y (izq) y (izq) y pozo incompleto pozo incompleto pozo incompleto pozo incompleto (der)(der)(der)(der) [1][1][1][1]

Los respectivos factores de sobrecarga son los siguientes:

Hd ≤ 10.1=β normalincompleto QQ ⋅=⇒ 10.1

HdH ⋅≤< 2 20.1=β normalincompleto QQ ⋅=⇒ 20.1

Hd ⋅> 2 20.1=β normalincompleto QQ ⋅=⇒ 30.1

2.3. Estimación del radio de reemplazo (A)

En el control de aguas subterráneas con un sistema múltiple de pozos, se considera el siste-ma completo como si se tratara de un gran pozo único. Para el predimensionamiento del sis-tema múltiple de pozos se debe determinar el caudal de agua a evacuar para alcanzar un reducción del NF deseado. Para ello, se calcula el radio de un pozo de reemplazo, el cual abarca todo el sistema de pozos. La elección del radio de reemplazo se efectua a partir de las dimensiones de la excavación (por ejemplo largo y ancho, en una excavación rectangular) o a partir del área que cubren los pozos:



Figura 3.Figura 3.Figura 3.Figura 3. Radio de reemplazo "A"Radio de reemplazo "A"Radio de reemplazo "A"Radio de reemplazo "A" en una instalación de pozos en una instalación de pozos en una instalación de pozos en una instalación de pozos [1][1][1][1]

2.4. Estimación de la longitud sumergida del pozo h'

La longitud sumergida del pozo h' es necesaria para comenzar con el cálculo de la capacidad límite y caudal de un pozo. Una buena estimación puede partir de:

Ahh ⋅−= 1.0'

Cuando utiliza el programa GGU-DRAWDOWN la estimación de la longitud sumergida del pozo se emplea únicamente para el predimensionamiento del sistema. En el diseño definitivo, el programa calcula el valor adecuado por lo que esta estimación no tiene mayor trascendencia. En cambio, si realiza el cálculo con métodos convencionales, dicha estimación se debe verificar y corregir a lo largo del proceso.

2.5. Predimensionamiento

El cálculo de un sistema de pozos para una excavación se resume en responder las siguientes preguntas fundamentales:

¿Cuánta agua se necesita evacuar y cuántos pozos se requieren para ello?

El primer paso es determinar las propiedades del suelo, específicamente la permeabilidad "k". Luego se calcula el radio de reemplazo del sistema "A" (Véase Figura 3). De esta manera consideramos a todo el conjunto de pozos como si fuera un solo pozo.

Seguidamente se especifica el tipo de pozos con que se cuenta. Estos pueden ser "normales" o "incompletos". Finalmente se elige una longitud de seguridad "Z" que se requiere tener entre el nivel de aguas y la base de la excavación (Véase Figura 1).



Figura 4.Figura 4.Figura 4.Figura 4. Reducción del NFReducción del NFReducción del NFReducción del NF en un pozo en un pozo en un pozo en un pozo y rango de alcance R y rango de alcance R y rango de alcance R y rango de alcance R [3][3][3][3]

El siguiente paso es el cálculo del rango de alcance "R", que es la distancia horizontal entre el centro del pozo hasta el punto donde comienza la reducción del nivel freático (NF) en reposo. El cálculo de la longitud sumergida del pozo (h') se muestra en 2.4.

El rango de alcance de un pozo único puede ser calculado según la teoría de Sichardt (1927):

khHRunico ⋅−⋅= )'(3000 el valor de k es en m/s.

Cuando se trabaja con un sistema de varios pozos, existe la opción de realizar una corrección en el rango de alcance:

22ARR unico +=

Esta correción aplica cuando se presentan valores pequeños de k, pequeñas reducciones del N.F y excavaciones de gran tamaño.

Luego se procede a calcular el caudal total a desalojar:

)ln()ln(

)'()(.

22

AR

hHkQ

−

−⋅= π (En el caso de un pozo único A = r).

A continuación se calcula la capacidad de un pozo individual:

15'2

khrqunico ⋅⋅⋅= π

Con lo que, el número necesario de pozos (n) puede ser calculado como sigue:

unicoq

Qn =



2.6. Dimensionamiento final

Una vez establecido el número de pozos (n), su radio (r) y la longitud sumergida (h'), se deben verificar los resultados estableciendo varios puntos de control dentro de la excavación. Estos puntos deben estar situados preferentemente en el centro, en la esquina y en el perímetro de la excavación. (Véase la disposición de los puntos A, B y C en la Figura 5).

Figura 5.Figura 5.Figura 5.Figura 5. Puntos de control A, B, C Puntos de control A, B, C Puntos de control A, B, C Puntos de control A, B, C [3][3][3][3]

En la figura se presentan como ejemplo las distancias 821 ,, xxx entre los pozos 1, 2 y 8 y el

punto de control B. En el caso de una disposición rectangular, las distancias restantes pue-den ser determinadas por simetría. Por ejemplo en la figura anterior, la distancia entre el pozo P3 al punto B será igual a la distancia x1, resultando lo mismo para los demás puntos simétri-

cos: 6431 xxxx === .

• Verificación de la reducción del N.F en los diferentes puntos de la excavación (A,B,C)

)ln(1

)ln(

)'()(.

21

22

nxxxn

R

hHkQ

⋅⋅⋅⋅−

−⋅= π

Con la fórmula anterior, se calcula el caudal en un punto determinado de la excavación. El caudal calculado en cualquier punto de la excavación (Qx) tiene que ser menor al caudal que evacúa el conjunto de pozos que se ha diseñado.

QQX

<

Si no se cumple lo anterior, hay que diseñar nuevamente el sistema con otro radio de pozo.

• Verificación de la longitud sumergida estimada del pozo (h'):

Se calcula la longitud sumergida disponible "y" en cada pozo:

k

xxxn

RQ

Hyn

⋅

⋅⋅⋅⋅⋅−⋅−=

π

))ln(1

(ln 212

luego tiene que cumplirse lo siguente: 'hy ≥



Caso contrario, se diseña nuevamente el sistema con otro radio de pozo.

3. Uso del Programa

3.1. Cálculo del sistema

Se requiere realizar una excavación cuadrada de 25 x 25 metros, cuya profundidad se extiende a 3 m bajo el nivel freático. El coeficiente de permeabilidad (k) del suelo es de 1 x 10-

4. Para mantener la excavación libre del ingreso de aguas subterráneas se necesita definir un sistema múltiple de pozos. Por seguridad, la reducción del NF deseado debe estar 0.5 m bajo la base de la excavación. El radio de cada pozo es de de 0.1 m. A continuación calcularemos el caudal a evacuar, y el número de pozos necesario para ello.

Figura 6.Figura 6.Figura 6.Figura 6. Sección de la excavación Sección de la excavación Sección de la excavación Sección de la excavación

1. File → New.

Elija el tipo de excavación "Rectangular". Seguidamente el programa GGU-DRAWDOWN mues-tra la pantala de inicio para el cálculo del sistema, donde se presenta una excavación están-dar, la cual modificaremos al ingresar los valores de nuestro problema.

2. Identificación del proyecto: Edit → Data set designation.

Seleccionamos un nombre para identificar nuestro proyecto. Presione OK para continuar.

3. Radio del pozo individual: Edit → Well radius



Presione "For all" (Para todos), todos los pozos adoptarán el radio introducido.

4. Modelación de la excavación: Edit → Construction pit

Se introducen las dimensiones de la excavación: Largo y Ancho. Y también se establece la distancia que hay entre los pozos y el extremo de la excavación (1 m). Presione OK para conti-nuar.

Seguidamente aparece una ventana que muestra el predimensionamiento del sistema. Este predimensionamiento se verá afectado al continuar ingresando los datos al sistema.

5. Datos básicos de la excavación: Edit → Base data

En esta ventana se ingresa el valor de la longitud sumergida estimada del pozo (h'). El rango de alcance se calcula según Sichardt y el factor beta se mantiene en 1.0 por tratarse de un pozo "normal" (Véase 2.2).



De acuerdo a nuestro problema: t= 3.0 m, z= 0.5 m, H= 9.0 m. (Véase Figura 6).

Presione OK para continuar. Aparece la ventana del predimensionamiento del sistema. Ya que se han ingresado todos los valores del sistema, procedemos a evaluar el predimen-sionamiento:

Nuestro sistema requiere 5 pozos. Cada pozo evacuará un caudal de qunico=6.032 m3/h.

6. Optimación del sistema: System → Optimize → Number of wells

Se procede a calcular el número óptimo de pozos (Number of wells).



En esta ventana se determina el rango en que puede variar el número de pozos tanto del lado largo como del lado ancho de la excavación. Al presionar OK, aparece la siguiente ventana, que le indica el número de instalaciones que se calcularán. Presione "Yes" para continuar.

A continuación se necesita definir bajo que condiciones se realizará el calculo.

Seleccione "Wetted filter length after Herth/Arndts" (Longitud sumergida del filtro, según Herth/Arndts). Presione OK para continuar.

Entonces comienza el proceso de optimación. Luego aparece la siguiente ventana:



El número optimo de pozos encontrado es 8. Se le pregunta si desea utilizar estos valores. Presione Yes (Si) para continuar. Luego se presenta una ventana de confirmación preguntan-dole si desea calcular nuevamente el sistema. Presione Yes (Si) para continuar.

Para comenzar con el nuevo cálculo del sistema, se requiere definir nuevamente las condicio-nes de cálculo.

Al presionar OK comienza el cálculo del sistema, y aparecen las siguientes ventanas de resul-tados:

Esta ventana nos indica las reducciones del N.F encontradas en el centro de la excavación (Drawdown in construction pit center), y la reducción del NF en el punto más desfavorable (Drawdown at unfavorable point), ambos valores medidos a partir de la base de la excava-ción.



En esta ventana se encuentran los resultados generales del sistema, como ser el caudal a evacuar (Qbeh), separación promedio entre pozos (Average well separation), longitud sumergi-da del filtro disponible (Current wetted filter length h'), longitud sumergida del filtro necesaria (Necessary wetted filter length h'), capacidad de un pozo (Capacity of a well), rango de ala-cance (Range R) y radio de reemplazo (Substitute radius A).

7. Resumen de resultados: System → Results

Usted puede acceder a una ventana con los resultados del sistema.

Hasta este punto hemos realizado el diseño del sistema múltiple de pozos. Seguidamente evaluaremos de forma gráfica los resultados obtenidos.

3.2. Evaluación gráfica del sistema

Una vez finalizados los cálculos, se muestra en la pantalla la vista en planta del sistema.



25

.00

27

.00

25.00

27.00

UP

1.84 1.84

1.84 1.84

1.84

1.84

1.84

1.84

Se presentan las dimensiones del sistema. En rojo se señala la reducción del NF en cada pozo (por debajo de la base de la excavación) y se muestra también el punto más desfavorable del sistema (UP) es decir, donde se presenta la reducción del NF menor.

8. Seleccione "Edit / Show system section" para ver una sección transversal del sistema:

GW

System

Const. pit

Drawdown target

Wetted filter length

3.3

6

H =

9.0

0

6.0

0

z = 0.50

t = 3.00

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-8

-6

-4

-2

0

9. Section → Define "straight" section

Puede elegir una sección para visualizar la reducción del NF en la misma:



Presione OK, y con el botón izquierdo del mouse, determine el punto inicial y final de la sec-ción.

Se le pregunta en cuántas subdividisiones (Puntos de reducción del NF) quiere ver la sección. Luego presione OK para continuar.

La siguiente ventana de diálogo aparece:

Seleccione "Show" (Mostrar) y se representa la sección seleccionada:



GW

GW (at-rest)

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Station

0.0

0

0.7

7

1.5

3

2.3

0

3.0

6

3.8

3

4.6

0

5.3

6

6.1

3

6.8

9

7.6

6

8.4

3

9.1

9

9.9

6

10.7

2

11.4

9

12.2

6

13.0

2

13.7

9

14.5

5

15.3

2

16.0

9

16.8

5

17.6

2

18.3

8

19.1

5

19.9

1

20.6

8

21.4

5

22.2

1

22.9

8

23.7

4

24.5

1

25.2

8

26.0

4

26.8

1

27.5

7

28.3

4

29.1

1

29.8

7

30.6

4

31.4

0

32.1

7

32.9

4

33.7

0

34.4

7

35.2

3

36.0

0

36.7

7

37.5

3

38.3

0

GW [m b. CPB]

0.1

0

0.1

7

0.2

4

0.3

0

0.3

6

0.4

2

0.4

7

0.5

1

0.5

5

0.5

8

0.6

0

0.6

3

0.6

4

0.6

5

0.6

6

0.6

7

0.6

7

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

8

0.6

7

0.6

7

0.6

6

0.6

5

0.6

4

0.6

2

0.6

0

0.5

8

0.5

4

0.5

1

0.4

6

0.4

1

0.3

6

0.3

0

0.2

3

0.1

7

0.1

0

0.0

3

-0.0

3

Lag e des Schn itts

x1/y1 = -4.89 / 14.74 x2/y2 = 33.40 / 14.18

1 2

10. Evaluation → in raster

Puede visualizar los valores de las reducciones del NF dentro de un cuadrilátero definido:

Seleccione la opción "Drawdown in m below CPB" (Reducción del NF en m por debajo del centro de la excavación). Presione OK.

Utilizando el mouse, haga clic en 4 puntos en sentido contrario a las agujas del reloj para definir un cuadrilátero.



Defina el número de subdivisiones en la dirección "x", "y".

Presione OK para continuar.

Obtiene de ésta manera los valores de la reducción del N.F en el área definida.

También puede agregarle isolíneas a esta representación gráfica:

Evaluation → "Normal" Isolines

Elija la opción "Drawdown in m below CPB" (Reducción del NF en m por debajo del centro de la excavación). Presione OK.

La siguiente ventana aparece en la cual determina los valores máximos y mínimos de las iso-líneas, así como la separación entre ellas.



Presione OK. Una ventana de diálogo le indica cuantas isolíneas serán trazadas.

Presione nuevamente OK, y obtiene las isolíneas del NF en su excavación.

25

.00

27

.00

25.00

27.00

-0.4

0

-0.2

0-0.20

-0.2

0

-0.20

0.00

0.00

0.000.0

0

0. 2

0

0.20

0.20

0.200.40

0.600.80

0. 8

0

0.80

0.80

0.80

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00 1.0

0

1.00 1.0

0

1.201.2

0

1.20

1.20

1.20 1.2

0

1.20

1.20

1.40

1.40

1.40

1.40

1.40

1.40

1.40

1.40

1.601.60

1.60

1.60

1.60

1.60

1.60

1.60

1.80

1.80

1.80

1.80

1.80

1.80

1.80

1.80

Otras evaluciones gráficas:

Evaluation / coloured



1.20

1.23

1.25

1.28

1.31

1.33

1.36

1.39

1.41

1.44

1.47

1.49

1.52

1.55

1.57

1.60

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

25.0

0

27.0

0

25.00

27.00

Evaluation / 3D

x

yz

4. BIBLIOGRAFIA

[1] Instituto de Suelos Universidad de Hannover, AGTZE. Apuntes de cátedra (Skript). 2003.

[2] U. Smoltczyk. Geotechnical Engineering Handbook – 1-3. Edición - Junio 2002

[3] Universidad técnica de Munich. Apuntes de la cátedra de mecánica de suelos y ci-mentaciones. 2004.

[4] GGU-DRAWDOWN, Manual de uso.

1

Los cursos de capacitación de Civilserve están elaborados por personal técnico especializado. Sin embargo, Civil-serve no puede de ninguna manera asumir responsabilidad sobre el uso del contenido de los cursos en proyectos reales.

cap ggu-drawdown esp

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