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XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú

CONTROL DE NAPA FREÁTICA MEDIANTE MICROPOZOS (WELL – POINT)

Por: Julio M. Kuroiwa y Alfredo J. Mansen 1. Antecedentes Con la finalidad de suministrar energía eléctrica doméstica a las nuevas urbanizaciones del sur de Chimbote (Ancash), la compañía Alstom Perú S.A. (Alstom) contrató los servicios de ARSA para construir la Sub Estación Trapecio. Esta subestación está ubicada en una zona en la que la napa freática es alta. Alstom contrató los servicios de Geotecnia y Pavimentos E.I.R.L (G&P) para realizar un diagnóstico de las condiciones de cimentación del terreno. Además de realizar el análisis de la capacidad portante del suelo y el potencial de licuefacción, G&P recomendó la aplicación del método Well Point para realizar el abatimiento de la napa freática y llevar a cabo el mejoramiento de las condiciones del suelo que subyace a la Subestación Trapecio. ARSA solicitó el apoyo de los autores para realizar una evaluación del uso del equipo de Well Point. Este informe presenta los resultados iniciales del análisis en los que se ha evaluado la aplicabilidad del método de Well Point así como el diagnóstico del uso del equipo que se ha considerado para abatir la napa freática en la zona de trabajo.

2. Aplicabilidad del método Well Point La aplicabilidad del método de Well Point para abatir la napa freática durante los procesos de excavación ha sido estudiada por la Morretrench American Corporation. En la publicación “Dewatering and Groundwater Control” (del Departamento del Ejército de los Estados Unidos (1983) se incluyen los criterios de la Morretrench American Corporation para la selección del método del método de abatimiento de la napa freática utilizando como criterio la distribución granulométrica del suelo. En la Figura 1 se ha comparado el suelo de la Sub Estación Trapecio, Chimbote (en líneas punteadas) con los husos que se proponen como límites de aplicabilidad del método de Well Point y los límites que se consideran para el drenaje por gravedad y drenaje lento por gravedad (cuyos marcadores son triángulos). Por debajo del drenaje lento por gravedad es impráctico usar métodos de drenaje por gravedad. En la figura se observa que en el suelo predominante en trapecio es posible utilizar métodos de drenaje por gravedad y que además la distribución granulométricas cae dentro de los límites en los que se pueden usar pozos o well point, sobre todo los límites inferiores del huso, que se consideran que son los que influyen mayormente en la impermeabilidad del suelo.

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Comparación de Suelo de Trapecio vs Condiciones de Drenaje

0

20

40

60

80

100

0.010.1110ds (mm)

% q

ue p

asa

en p

eso

Límite superior Drenaje por gravedad normal Drenaje lento por gravedad Suelo Trapecio

Drenaje por gravedadDrenaje lento por gravedad

Pozos o well-points

Figura 1. La figura muestra los límites de aplicabilidad del drenaje por gravedad. La distribución granulométrica de la muestra M-2, que es la más representativa se muestra en líneas punteadas.

Cedergren (1977) afirma que la técnica de Well Point se ha usado con mayor eficacia para abatir la napa freática en arenas gravosas, arenas, arenas limosas y suelos similares. Por otro lado, en Soil Mechanics in Engineering Practice (Terzagui, Peck y Mesri, 1996) se recomienda que en principio se evalúe la permeabilidad del suelo. Como regla práctica se recomienda el uso de una bomba autocebante de 150 mm por cada 200 m de línea de punteras (well points). Si la carga no es excesiva puede usarse un motor de 15 kW. Si la napa se va a abatir más de 5 metros no se puede usar una sola línea de punteras, por lo que se usarán líneas adicionales. Esto implica abatir la napa freática hasta un nivel de 5 m y luego colocar una segunda línea de punteras para continuar abatiendo la napa freática hasta el nivel deseado. Si la napa freática se va a abatir menos de 5 m, una línea de punteras es suficiente. En el presente estudio se ha considerado abatir la napa freática 1.5 m.

3. Cálculos para el dimensionamiento y verificación del equipo a usarse. Para realizar la verificación del equipo que se va a utilizar, se realizaron cálculos basados en conceptos teóricos y prácticos expuestos en “Dewatering and Groundwater Control”. En algunos casos se han comparado valores obtenidos de manera indirecta para realizar una estimación conservadora de las variables hidráulicas necesarias para verificar el uso del Well Point. Los trabajos de mejoramiento de la cimentación se realizarán en dos áreas separadas: de 32.5 m x 8 m y de 43 m x 7 m. En los cálculos se verificará el comportamiento de la bomba en el caso más crítico, que ocurre en el terreno de mayores dimensiones. Napa freática a abatirse El nivel de la napa freática se encuentra original se encuentra a 5.0 m.s.n.m, siendo el nivel final requerido 3.5 m.s.n.m. Por este motivo, para fines de cálculo se considerará que la napa freática se abatirá hasta el nivel 3.0 m.s.n.m. Los estudios realizados por G & P indican que existe suelo por lo menos hasta una profundidad de 10 m. Al no existir el dato de profundidad del estrato impermeable subyacente al suelo del terreno, se asumirá en principio que se encuentra a 50 m por debajo del nivel del mar para fines


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de cálculo. Los errores inducidos por la falta de datos y las incertidumbres en las variables se corregirán en campo al realizarse las primeras pruebas. Permeabilidad En la siguiente tabla se muestra el cálculo de la permeabilidad usando la fórmula k (cm/s) = 100 d10

2, d10 se expresa en centímetros. Tabla 1. Estimación de permeabilidad

d50 (mm) 0.207 d10 (mm) 0.132 d10 (cm) 0.0132 k (cm/s) 0.0174 El valor calculado anteriormente fue comparado con los valores obtenidos por Morris y Johnson (en McWhorter y Sunada, 1967). Para una arena fina, los valores de conductividad hidráulica varían entre 0.2 x 10–4 y 189 x 10–4 cm/s, asignándosele un valor promedio de 2.88 x 10-3 cm/s. El valor obtenido anteriormente es 1.7 x 10-2 cm/s, el cual se adoptará en los cálculos porque una permeabilidad mayor arrojará valores más conservadores de caudal y de pérdidas en la línea de conducción. Fundamento Teórico y Procedimientos de Cálculo La principal función del equipo Well Point es el abatimiento de la napa freática para facilitar las labores de excavación durante la construcción de obras de cimentación o mejoramiento del suelo subyacente a una obra. Para abatir la napa freática, el procedimiento empleado es la extracción de agua del subsuelo. La napa se reduce en las inmediaciones del área de extracción dentro del ámbito de influencia. La influencia crece con el caudal extraído en la misma localidad. Las variables de interés se presentan a continuación:

1) La altura de la napa freática H, es decir la distancia de la napa freática original hasta el estrato impermeable.

2) La altura del nivel requerido en el punto de interés hD. También se mide desde el estrato impermeable. Por las características del problema práctica en nivel requerido se encuentra en el eje longitudinal de la excavación.

3) La altura del agua en el pozo, ho. 4) La longitud de excavación x. 5) La conductividad hidráulica k. 6) La distancia a la fuente de agua o condición de borde, L.


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Figura 2. Variables usadas en el cálculo del caudal a extraerse para abatir la napa freática.

Cálculo de ho

( )

+−= 148.1

ooD hHL

hh

Cálculo de Qp (caudal teórico por unidad de ancho)

( ) ( )

−

−+= 22

2)

27.073.0( o

op hH

Lkx

HhHQ

donde: HL 3≥

Qp = caudal teórico por unidad de ancho. H = altura de la napa freática medida desde el estrato impermeable. ho = altura de la cota de abatimiento K = conductividad hidráulica del estrato permeable L = distancia de la fuente de agua hasta el borde de la Se puede calcular Qp/x (caudal por unidad de longitud teórico) y luego multiplicarlo por el ancho de la zona excavada. Se calcula Qw = K Qp; K es un factor de las líneas de corriente. Este factor es mayor a 1 y se debe utilizar porque en la deducción teórica se asumió un medio semi-infinito. Cálculo de hw: El nivel del agua en el pozo, hw se calcula con la siguiente ecuación:

−=

w

wDw r

xkQhh

ππ 2ln22

En la ecuación anterior, rw es el radio de las tuberías de aspiración o punteras. El resto de variables se han definido en las ecuaciones anteriores.


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Posteriormente se realizan los cálculos de pérdidas en la línea de succión. Las pérdidas en la línea de succión se producen tanto en las tuberías de aspiración como en la tubería principal. Las pérdidas en las tuberías de aspiración (punteras) se pueden calcular mediante el uso de ábacos que aparecen en la publicación “ Dewatering and Groundwater Control“. Las pérdidas que se producen en cada puntera son:

- Pérdidas a la entrada de la tubería de aspiración. Depende de la descarga en cada tubería, la longitud y el tipo de filtro utilizado.

- Pérdida en la tubería de aspiración. Que es función de la descarga y el tipo de puntera.

- Pérdida por fricción y carga de velocidad. Que es función de la descarga, la longitud y el diámetro de la tubería.

Los gráficos utilizados para el cálculo de pérdidas en las punteras y las tuberías de aspiración se muestran en las Figuras 2 y 3.

Figura 3. Pérdidas de carga en las punteras y tuberías de aspiración. (US Army, “Dewatering and Groundwater Control”)


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Figura 4. Pérdidas de carga en la tubería de aspiración. (US Army, “Dewatering and Groundwater Control”)

Cálculos de caudal unitario (Qp/x), caudal por puntera (Qw), caudal total (Q) y abatimiento inicial (ho) Se ha calculó el caudal necesario para abatir la napa freática y las pérdidas que ocurrirían en el sistema de bombeo, usando el área del terreno de mayor tamaño. Los cálculos usando dos métodos distintos se resumen en el informe final, habiéndose obtenido resultados similares en ambos casos. En los cálculos se ha asumió un espaciamiento de 3 m. Se estimó que el máximo caudal de diseño que se pudo haber producido es 47.45 l/s (752.17 gpm) y que habría una pérdida por fricción en la tubería maestra de 6” (15 cm) y en las punteras de aproximadamente 2 m. Para fines de simplificación se ha calculado la fricción en la línea con el caudal total a ser evacuado, lo que resulta en una estimación conservadora. Considerando que se necesitará impulsar el caudal aproximadamente 2 m en la línea, es necesario contar con una capacidad de succión de 4 m para poder conducir el flujo hacia la bomba. [JK1]Para el caudal estimado, la carga disponible es de aproximadamente 85 pies (25.9 m) y la succión disponible es de 27 pies (5.1 m). Por lo tanto, los cálculos realizados indican que es posible utilizar el equipo disponible para abatir la napa freática en la localidad de la Sub Estación Trapecio. Es importante verificar la longitud de conducción del caudal evacuado para determinar las pérdidas totales en la tubería de impulsión. Además se


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Julio Kuroiwa

Omitir mención del Apéndice B.


verificó el correcto funcionamiento del equipo, el cual tuvo un rendimiento diferente al que tenía cuando era nuevo. 4. Algunas observaciones sobre la Instalación de equipo Well Point El equipo Well Point fue instalado alrededor del área a ser excavada. Se recomendó utilizar el mínimo espaciamiento posible con el material disponible porque una vez que el equipo se instala, cambiar el espaciamiento de las punteras requiere desarmar el sistema. En las primeras pruebas se usó el espaciamiento asumido (3 m) abriendo las válvulas de las punteras de manera que las punteras abiertas se encuentren ésta distancia. Posteriormente se pueden abrir más punteras para reducir el espaciamiento inicial. El espacio estaba limitado, debido a que se encontraba en una zona urbana al sur de Chimbote, adyacente al Terminal Terrestre. 5. Observaciones sobre la operación de abatimiento de la napa freática El segundo autor de esta ponencia se encargó de la asesoría durante las operaciones de abatimiento de la napa freática. Las punteras fueron instaladas de acuerdo a las instrucciones del contratista que alquiló los equipos. Cuando se iniciaron las primeras pruebas, el caudal extraído del subsuelo era muy bajo (en el orden de 1 a 5 l/s). Por momentos, las emisiones eran intermitentes, es decir en forma de pulsos. Esto se esperaba, debido a que la distribución granulométrica del suelo se hallaba cerca en el límite inferior de aplicabilidad del método. Finalmente, el flujo se estabilizó a 20 l/s. El caudal fue depositado en camiones cisterna, los cuales se encargaron de disponer del agua en el mar.

Figura 5. Vista de área a ser mejorada con el sistema Well Point instalado. La bomba aparece en el lado izquierdo de la foto.

6. Conclusiones y recomendaciones 6.1 De acuerdo a la información geotécnica recibida, el método de Abatimiento de la

Napa Freática mediante Micro-Pozos (Well Point) fue considerado apropiado para abatir la napa freática en el futuro emplazamiento de la Sub Estación Trapecio (Chimbote Sur).

6.2 Debido a la incertidumbre en algunos datos, se consideraron valores conservadores de permeabilidad y otros parámetros hidráulicos. En campo existieron ligeras


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divergencias con respecto a los cálculos, los cuales se ajustaron de acuerdo a los resultados reales.

6.3 Fue necesario efectuar ensayos preliminares en campo para ajustar el caudal de bombeo de acuerdo a los resultados de las operaciones de abatimiento de la napa freática y contratar los camiones para evacuación de caudal.

6.4 El equipo disponible fue adecuado para realizar el abatimiento de la napa freática, de acuerdo a los cálculos efectuados en este estudio.

Recomendaciones 6.5 El sistema propuesto puede ser usado de manera estándar en la ciudad de

Chimbote y en general en todas las ciudades que se han desarrollado sobre suelos arenosos. En todo caso, se debe verificar la granulometría del suelo.

6.6 El uso del sistema es responsabilidad del contratista, pero no existen compañías especializadas en el abatimiento de agua en nuestro país.

6.7 En las ciudades la principal limitación es la ruta de evacuación del agua extraída por el sistema, lo que obliga a realizar el planeamiento para fijar la forma de evacuación.

6.8 Las calicatas de los estudios de la composición de suelos deben ser lo suficientemente densas para evitar o detectar la presencia de suelos cohesivos que dificulta la entrada de las punteras.

6.9 El mercado es promisorio, pero se necesita la renovación de equipos, porque los disponibles son bastante antiguos.

6.10 El factor ambiental es una variable a ser tomada en cuenta (debido a los ruidos producidos por el equipo). Esto se obvió en el proyecto, porque éste se encontraba en una zona industrial y poco habitada del sur de Chimbote.

Referencias

1. Cedergren, Harry R. (1977). Seepage, Drainage and Flow Nets. Segunda Edición. John Wiley and Sons. Nueva York, E.E.U.U.

2. Mansen, Alfredo y Kuroiwa, Julio M (2002). Consideraciones para el Dimensionamiento de Well-Point. Sub-Estación Trapecio. Chimbote – Ancash.

3. Mc Whorther, D y Sunada, D.K (1977). Groundwater Hydrology and Hydraulics. Water Resources Publications. Littleton, CO. E.E.U.U.

4. Smedema, Lambert K, Rucroft, David W. (1983). Land Drainage. Cornell University Press. Gran Bretaña.

5. Terzaghi, Karl; Peck Ralph B. y Mesri, G (1996) . Soil Mechanics in Engineering Practice. John Wiley and Sons, Inc. Nueva York, E.E.U.U.

6. US Departments of the Army, the Navy and the Air Force (1983). Dewatering and Groundwater Control. Documento TM-5-818-5. Estados Unidos.

Comunicaciones y observaciones Julio M. Kuroiwa: [email protected] Av. Bolívar 1627. Apt 301. Lima 21. Teléfono: 460-5868.


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mailto:[email protected]

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