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Galeras de Infiltracin

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Universidad Nacional de Ingeniera

Centro de Investigacin y Estudios del Medio Ambiente

Maestra en Ingeniera Ambiental

Asignatura: Abastecimiento de Agua

Trabajo de Curso: Obras de Captacin

Galeras de InfiltracinPresentado por :Sergio Enrique lvarez Garca

Manrique Castillo Sancho

Docente:M.Sc. Yalena Navarro Cajina.

Managua, Nicaragua18 de Junio del 2011.


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Introduccin

Una galera de infiltracin es una forma de captar el agua subterrnea que seencuentra muy prxima a la superficie - subsuperficial - y cuyos afloramientos sepresentan dispersos en reas considerables.

El uso de estas obras de captacin de agua, se limita a casos en que el aguasubterrnea se encuentre a una profundidad de 5 a 8 metros por debajo delsuelo.

Son recomendadas cuando se va a captar el agua subterrnea de acuferos depoca profundidad con un pequeo espesor saturado y adems en zonascosteras en donde el agua dulce se encuentra por encima del agua salada.


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I.- Principio de funcionamiento

Una galera de infiltracin consiste en un tubo perforado o ranurado , rodeandode una capa de grava o piedra triturada graduada instalada en el acuferosuperficial, o en el caso de captacin indirecta de aguas superficiales, en elestrato permeable que se comunica con dichas aguas.

En los extremos aguas arriba de la galera y a una longitud aproximada de 50 m,

normalmente se coloca un pozo de visita. En el extremo aguas abajo seconstruye un tanque o pozo recolector, de donde se conducen las aguas porgravedad o por bombeo hacia el sistema de distribucin (Fig.1). El tubo derecoleccin usualmente es de concreto o de fibrocemento. Su dimetro esfuncin del gasto, siendo el ms recomendable del orden de 200 250 mm.


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Figura 1.- Detalle de una Galera de infiltraci n


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II.- Criterios para la ubicacin de las galeras de infiltracin.

La galera de infiltracin se orienta con la direccin predominante del flujo subterrneo.Cuando la velocidad de un rio es pequea y existen extractos de alta permeabilidad que seconectan, la galera normalmente se instala paralela al eje del mismo.

En este caso, la direccin del flujo subterrneo principalmente es desde el ro hacia lagalera, aunque desde el lado opuesto de la misma tambin penetrar el agua, ya que elro y la instalacin de la galera ser anloga (Fig. 2 y 3).

En caso de cursos rpidos y extractos de baja permeabilidad, ser necesario investigar ladireccin del flujo subterrneo, a fin de interceptar el paso del mismo con la galera deinfiltracin. Normalmente, unos ramales perpendiculares al eje del ro dan los resultadosdeseados (Fig. 4) .

Cuando no existen extractos permeables con la excepcin de unos bancos de arena ograva depositados por el ro en un lecho limitado la galera se instala por debajo del ro,normal a su eje. La misma solucin se emplea cuando el acufero es de muy bajapermeabilidad. (Fig.5).


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Figura 2.- Galera de infiltracin con flujo del ro hacia la galera


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Figura 3.- Galera de infiltracin con flujo del acufero al ro y la galera.


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Figura 4.- Galera de infiltracin en extractos poco permeables


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Figura 5.- Galera de infiltracin bajo el lecho de un ri


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4.- Criterios de Diseo - Clculo hidrulico .

Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimientotiene que disear una galera de filtracin en base a su experiencia y,por lo general, sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta unabuena prctica calcular por medio de diferentes mtodos, variando losparmetros dentro de un rango razonable de magnitud, para luegoseleccionar los resultados ms probables.

Aunque el procedimiento no parece muy confiable, en muchos casosproporciona buenos resultados para el diseo.

El procedimiento de emplear diferentes modelos en el diseo de lagalera filtrante, permite al proyectista identificar los parmetros ofactores de mayor influencia.


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4.- Criterios de Diseo - Clculo hidrulico .

Al efecto, en las formulaciones es necesario tener en cuenta las caractersticas delacufero y las caractersticas del dren.

Las caractersticas del acufero se identifican por los siguientes parmetros con susrespectivos smbolos y dimensiones:

Conductividad hidrulica o permeabilidad: kf [m/s]Profundidad del acufero: H [m]Transmisividad [kf*H] T [m2/s]Espesor dinmico del acufero en el punto de observacin: Hb [m]Espesor dinmico del acufero en la galera: Hd [m]Pendiente dinmica del acufero: i [m/m]Porosidad efectiva: S [adimensional]Radio de influencia del abatimiento: R [m]

Distancia entre la galera y el pozo de observacin: L [m]Distancia entre la galera y el punto de recarga: D [m]


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4.- Criterios de Diseo - Clculo hidrulico.

Por su ubicacin, las galeras de infiltracin son captaciones donde puede admitirse que elmtodo de equilibrio para fuentes subterrneas es aplicable. A fin de determinar lascaractersticas de diseo de las galeras es necesario hacer excavaciones o perforacionesde prueba en cada caso especfico, las cuales permitirn conocer:

Permeabilidad media del acufero para estimar la produccin por metro lineal de galera.

Granulometra del terreno para determinar las caractersticas de la grava de envoltura.

Gastos Pequeos: 3 a 5 lpps.

En el caso de gastos pequeos del orden e 3 a 5 lps, normalmente basta con unaexcavacin de prueba hasta una profundidad conveniente por debajo del nivel esttico delagua. Se extrae luego el agua con bomba, a una tasa fija y se observa el descenso denivel. La estabilizacin de dicho nivel para una tasa fija de bombeo prolongado, significarque el recargamiento natural del acufero desde el ro (en el caso de captaciones indirectade fuente superficial), iguala el gasto extrado. A base de este gasto y estimando el reatotal de penetracin del agua en la excavacin de prueba, puede formarse una idea acercade la longitud necesaria de galera para el gasto deseado.


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Gastos Mayores

Cuando se trata de gastos mayores, adems de la excavacin de prueba, ser necesarioperforar o excavar uno o varios pozos de observacin, a fin de determinar el descenso del nivelde agua a cierta distancia del punto donde se efecta el bombeo de prueba.

En este caso, el procedimiento para determinar la longitud necesaria de la galera para el gastode diseo es:

Bombear a una tasa constante hasta que el nivel de agua se establece en la excavacin deprueba.

Medir el nivel, tanto en la excavacin de prueba como en el pozo de observacin y calcular losvalores de h 1 y h2 . Igualmente medir las distancias r 1 y r 2.

Si se trata de un acufero no confinado hacer uso de la frmula:

Q = (/2.31) * (p) * [(h 1 h2)/(log(r 2/r 1))]


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Si el acufero es confinado hacer uso de la frmula:

Q = (/2.31) * (p) *(b) * [(h 1 h2)/(log(r 2/r 1))]Donde b es el espesor del acufero confinado. A partir de estas expresiones, calcular lapermeabilidad media del acufero.

Aplicar la ley de Darcy.Q = PIA

En este caso Q es el caudal que puede brindar el acufero y P es la permeabilidad media.

El rea de penetracin queda definida por la grava de envoltura del tubo de recoleccin y lalongitud total del mismo. Para los efectos de captacin indirecta de aguas superficiales,normalmente se toma el rea de la cara hacia el ro, dejando el flujo desde el lado opuestocomo margen de seguridad. El gradiente hidrulico disponible es desde el nivel del aguadel ro hasta la grava de envoltura y se determina dividiendo la profundidad de la grava deenvoltura con respecto al nivel esttico del agua subterrnea entre la distancia desde laorilla del ro hasta la galera.


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Clculo de la longitud de la galera , se calcula a partir de la expresin:

L = Qdisseo / QacuferoDonde Qacufero es el caudal disponible en la fuente (rendimiento del acufero) por unidad delongitud.

Clculo del rea perforada en el tubo recolector, para conocer el nmero de perforacionesque se requieren en el tubo recolector se utiliza la expresin siguiente:

A = Qdisseo / (Ventrada * Cc)Ventrada es por criterios de diseo entre 0.05 y 0.1 mps, el C c es un coeficiente porcontraccin para entradas por orificios y tiene un valor de 0.55.Finalmente el nmero de orificios se calcula dividiendo el rea del tubo recolector entre eldimetro de los orificios de entrada.


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin

Considerando que el proyectista de pequeas obras de abastecimiento de aguatiene quedisear la galera de filtracin de acuerdo con su experiencia y, por lo general,sin un detallado estudio hidrogeolgico, resulta prctico efectuar clculos pormedio de diferentes mtodos y variar los parmetros dentro de un rangorazonable de magnitud, para luego seleccionar los resultados mas probables.

Aunque el procedimiento no parece confiable, en muchos casos proporcionabuenos resultados en el diseo de pequeos sistemas de abastecimiento deagua. Emplear diferentes modelos en el diseo de la galera filtrante, permite alproyectista identificar los parmetros o factores de mayor influencia y por lotanto, ayuda a definir las pruebas de campo que se deben realizar.

De esta manera, una vez determinada la longitud mnima de la galera seprocede al diseo de los elementos que la componen.


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin - Colector

En el diseo del colector se deben considerar los siguientes aspectos:a) Seccin con capacidad suficiente para el caudal de diseo.b) Mnimas prdidas por friccin.c) rea de las aberturas del dren que faciliten el flujo hacia el conducto.

5.1.1. DimetroEl dimetro mnimo es el que garantice el escurrimiento del caudal de diseo conun tirante no mayor al 50%,y no ser menor de 200 mm. para facilitar la limpiezay mantenimiento de los drenes.

En las galeras largas, es posible usar distintos dimetros y hay que tener encuenta que los tramos iniciales no necesitan una alta capacidad de conduccin,(ver figura 6).


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Figura 6.- Galera de infiltracin con distintos dimetros


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5.1.2 Tipo de material

Por lo general, se usan tuberas comerciales, como las de cloruro de polivinilo (PVC),asbesto cemento, hierro fundido y hormign simple o armado.

Si se evalan los materiales, se encuentra que la tubera plstica de PVC presenta grandesventajas: es barata, liviana, induce pocas prdidas por friccin, es fcil de transportar,instalar y perforar, no se corroe y tiene una larga vida til.

Los conductos de asbesto cemento tienen la desventaja de ser frgiles y pesados, y sondifciles de perforar.

El hierro fundido tiene alta resistencia a las cargas, gran durabilidad y permite un altoporcentaje de rea abierta. Sin embargo su costo es alto y es propenso a lasincrustaciones, las que disminuyen su capacidad hidrulica.

Las tuberas de hormign son pesadas y frgiles, lo que complica su manejo, perforacin einstalacin. No obstante, pueden instalarse en pequeos tramos con las juntas abiertas.


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5.1.3 Velocidad

Para evitar la acumulacin del material fino que pueda entrar al conducto, la tubera deldren debe tener una pendiente adecuada que facilite su auto limpieza.

Normalmente, la velocidad de escurrimiento del agua en el dren debe ser mayor a 0,60m/s. De esta manera, el material fino podr ser arrastrado hasta la cmara colectoradonde se depositar para su eliminacin.

La velocidad de autolimpieza se logra con pendientes que varan de 0,001 m/m a 0,005m/m.


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5.1.4 rea abierta

No se recomienda pendientes altas para evitar una profundidad excesiva en casos de galeras de granlongitud.

En el diseo del rea perimetral abierta de los conductos, se debe tomar en consideracindos aspectos:

a) Prdida de la resistencia estructural de la tubera;b) Velocidad de ingreso

El valor de la mxima velocidad de entrada permisible para evitar el arrastre de partculas finas, varandesde 2,5 cm/s hasta 10 cm/s con un valor recomendado de 3 cm/s y para un coeficiente de contraccinde entrada por orificio de 0,55. En todo caso, es recomendable disponer de la mayor cantidad de reaabierta para tener bajas velocidades de entrada.

El rea abierta por unidad de longitud del conducto estar dada por la siguiente expresin:

Qu A = Ve x CcDonde: A = rea abierta por unidad de longitud del conducto (m)Qu = Caudal de diseo por unidad de longitud (m/s)Ve = Velocidad de entrada (m/s),Cc = Coeficiente de contraccin


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5.1.5 Forma, tamao y distribucin de las aberturas

El tipo de abertura que se practica en las tuberas son las perforaciones y las ranuras, lasque pueden ser realizadas con taladros o discos.

Las dimensiones de las perforaciones dependen de las caractersticas del conducto.

La relacin que debe existir entre la mayor dimensin de la abertura y el tamao de los granos del filtroest dada por la siguiente expresin:

A su vez, la relacin de dimetros entre el forro filtrante y el material granular del acufero debe ser igualo menor a cinco.

La distribucin de las aberturas se hace de forma tal que no reduzca sustancialmente la resistencia a lascargas externas del conducto original. Se recomienda que tanto las perforaciones como las ranuras sedistribuyan uniformemente en el rea perimetral, tal como se muestran en la figura 7.

El mximo porcentaje de rea perimetral abierta depende del tipo de material del conducto, de modoque a mayor resistencia del material, mayor rea abierta permisible.

* D85 es el tamao de la abertura del tamiz por donde pasa el 85 % en peso del material filtrante.


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Figura 7.- Modelos de drenes


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin Forro Filtrante

5.2 Forro filtrante

Su funcin principal es impedir que el material fino del acufero llegue al interior del conducto sin quesea afectada la velocidad de filtracin, el forro filtrante debe ser mucho ms permeable que el acufero.

El forro filtrante se asemeja a la capa de soporte de los filtros de arena, y se deben seguir lasrecomendaciones que se sintetizan en la Tabla 1.

Tabla1. Granulometra del forro filtrante.

Capa Dimetro, mm Altura, cmMnimo Mximo

1 0.5-2.0 1.5-4.0 52 2.0-2.5 4.0-15.0 53 5.20-20 10.0-40.0 10

Como se observa en el cuadro anterior, el espesor de cada una de las capas de filtro debe estarcomprendida entre los 5 y 10 cm para lograr una filtracin eficiente. Sin embargo, para evitar quedurante la construccin queden tramos de conducto sin recubrimiento, puede ser necesario usarmayores espesores, lo cual no afecta el funcionamiento de los drenes, sino que lo protege contracualquier defecto constructivo, porque a medida que aumenta el espesor de las capas del forro filtrante,disminuye el riesgo de que los granos ms finos del acufero sean arrastrados hacia el interior delconducto (ver figura 8).


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Figura 8.- Distribucin de capas concntricas en el forro filtrante


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin Forro Filtrante

Actualmente, se dispone de geotextiles de material sinttico resistente al agua,que pueden ser empleados de manera exitosa en la conformacin del forrofiltrante . Al efecto, el geotextil se tiende en el fondo de la zanja o trinchera ysobre l se acomodan las diferentes capas de grava del forro filtrante que han derodear al dren.

Una vez concluido el acomodo de todas las capas filtrantes, se cierraconformando el empaque de grava.

Encima del empaque se coloca el material de excavacin hastaaproximadamente unos 0.30 m por debajo de la superficie natural del terreno(ver figuras 9 y 10).


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Figura 9.- Proceso constructivo del pozo filtrante


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Figura 11.- Seccin longitudinal de galera de filtracin


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin Pozo Colector

5.4 Pozo colector

La funcin de este pozo es reunir el agua drenada por la galera de filtracin y facilitar, sifuera el caso, el bombeo de esta agua. El pozo puede ser circular o rectangular, y susdimensiones deben permitir que un hombre realice labores el mantenimiento de losconductos y vlvulas de regulacin de los drenes y de los equipos de impulsin (figura 12).

Las paredes, el fondo y la parte superior del pozo deben ser de concreto reforzado y los

acabados de las paredes y del fondo deben ser impermeables. La parte superior del pozodebe llevar una abertura para la instalacin de una tapa de concreto o de fierro y,dependiendo de su profundidad, debe estar dotado de escalinatas para facilitar el accesode un hombre al fondo del pozo.Es recomendable que el fondo del pozo se prolongue unos 60 centmetros por debajo de laboca de salida del dren para permitir la acumulacin de la arena que pudiera ser arrastradapor las aguas captadas y facilitar el funcionamiento satisfactorio del equipo de impulsindel agua, si lo hubiera.

En el caso de que la galera est ubicada en las mrgenes de un curso o cuerpo de agua yque el rea del pozo est sujeta a inundacin durante grandes avenidas, se debe elevar latapa del pozo colector hasta una altura mayor a la que pueda alcanzar el agua, para evitarla entrada de agua superficial y la contaminacin del agua captada por la galera defiltracin.


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5.- Diseo de los elementos de un galera de infiltracin

Cmaras de inspeccin

En casos de galeras de gran longitud, se colocarn cmaras de inspeccin en el extremo inicialy a intervalos regulares para facilitar su mantenimiento.

Sin embargo, en pequeas galeras, se puede colocarse tapones al inicio del ramal. Las cmarasde inspeccin son similares a las usadas en los sistemas de alcantarillado sanitario, distanciadasentre ellas unos 50 m para dimetros de 200 mm, y hasta de 100 m para dimetros mayores de200 mm.

Estas cmaras, al igual que el pozo colector, deben tener el fondo y las paredesimpermeabilizados.

Adems, la elevacin de la tapa debe estar por encima del nivel mximo que alcanzan las aguasen el caso que la galera se encuentre expuesta a inundaciones

5.6.- Vlvulas de control

Las vlvulas de control deben instalarse en el extremo inferior del dren y en la cmara deinspeccin o el pozo colector. Tiene por finalidad controlar la velocidad de ingreso del agua porlas ranuras de los drenes o la depresin del nivel fretico. Por ningn motivo la columna de aguadeber ser menor a 0,30m por encima del conducto perforado.


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6.- Riesgos operacionales de las galeras de infiltracin

Obstruccin de los orificios del tubo recolector : Es el principal riesgo en el uso de lasgaleras de infiltracin como medio para la captacin del agua subterrnea. ya que a pesardel relleno de grava cierta materia suspendida puede ingresar al tubo, provocando con elpaso del tiempo la acumulacin de este material y la posterior saturacin del dren. Paraevitar este problema se debe lograr una velocidad del agua en el dren capaz de expulsarcualquier depsito de sedimentos realizando de esta manera su autolimpieza.

Velocidad del agua en los drenes : Deber ser superiores a los 0.5 mps pero no mayores

de 1.0 mps de los contrario, las prdidas por friccin sern demasiado elevadas. Estoprovocar un abatimiento y una extraccin del nivel de agua subterrnea desigual a lolargo del dren.

Presencia de Hierro y Magnesio en el agua subterrnea: En este caso los depsitosde ambos elementos qumicos pueden obstruir las aberturas del dren y el relleno de grava,siendo necesario en esta situacin colocar los drenes a profundidades de 4 a 5 m pordebajo del nivel de agua subterrnea existente para evitar que el oxgeno penetre en losdrenes y forme los depsitos de precipitacin de estos materiales.


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7.- Fuentes de informacin consultadas.

1.- Abastecimiento de Agua . Material de estudio de la Maestra en Ingeniera Ambientalde la Universidad Nacional de Ingeniera. Centro de Investigaciones y Estudios del Medio Ambiente CIEMA. Curso Acadmico 2004-2005.

2.- Galeras Filtrantes para pequeos sistemas . Hoja de divulgacin tcnica HDT- No91/ Diciembre 2003. ISSN:1018 -5119. Organizacin Panamericana de la Salud - OPS.

3.- Manual de Diseo de Galeras Filtrantes . Organizacin Panamericana de la Salud. Ao 2000. Lima , Per.


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